高考物理對(duì)科學(xué)思維考查的分析①
——以2018年全國(guó)高考Ⅰ卷為例

(廣東省番禺中學(xué),廣東 廣州 511483)

1 引言

考查物理學(xué)科核心素養(yǎng)是高考命題的方向，而科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，因此是每年高考的重點(diǎn)考查內(nèi)容。科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型的抽象概括過(guò)程；是分析綜合、推理論證等科學(xué)思維方法的內(nèi)化；是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力與品質(zhì)。科學(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。

通過(guò)高中階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)具有建構(gòu)理想模型的意識(shí)和能力；能正確運(yùn)用科學(xué)思維方法，從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論，并能解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題；具有使用科學(xué)證據(jù)的意識(shí)和評(píng)估科學(xué)證據(jù)的能力，能運(yùn)用證據(jù)對(duì)研究的問(wèn)題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測(cè)；具有批判性思維的意識(shí)，能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑，從不同角度思考問(wèn)題，追求科技創(chuàng)新。下面通過(guò)典型試題，分析科學(xué)思維各要素在2018年全國(guó)高考卷物理試題中的考查情況。

2 試題中的科學(xué)思維考查

2.1 模型建構(gòu)

模型建構(gòu)是指學(xué)生構(gòu)建理想模型的意識(shí)和能力，是基于經(jīng)驗(yàn)的遷移和事實(shí)的抽象概括過(guò)程。

例1：一質(zhì)量為m的煙花彈獲得動(dòng)能E后，從地面豎直升空,當(dāng)煙花彈上升的速度為零時(shí)，彈中火藥爆炸將煙花彈炸為質(zhì)量相等的兩部分，兩部分獲得的動(dòng)能之和也為E，且均沿豎直方向運(yùn)動(dòng)。爆炸時(shí)間極短，重力加速度大小為g，不計(jì)空氣阻力和火藥的質(zhì)量，求：

(1) 煙花彈從地面開(kāi)始上升到彈中火藥爆炸所經(jīng)過(guò)的時(shí)間；

(2) 爆炸后煙花彈向上運(yùn)動(dòng)的部分距地面的最大高度。

分析：“煙花彈升空爆炸”是學(xué)生在實(shí)際生活中看到過(guò)的情景，但如何把這一情景抽象為物理過(guò)程模型，并運(yùn)用物理規(guī)律解決相關(guān)問(wèn)題，是其難點(diǎn)。“爆炸時(shí)間極短，重力加速度大小為g，不計(jì)空氣阻力和火藥的質(zhì)量”隱含理想模型的建構(gòu)條件，其中“不計(jì)空氣阻力”，可把煙花彈從地面開(kāi)始上升到爆炸、爆炸后向上那一部分的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為豎直上拋運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用勻減速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律不難求出上升的時(shí)間。“爆炸時(shí)間極短”和“不計(jì)火藥的質(zhì)量”隱含動(dòng)量守恒的條件，在極短的爆炸時(shí)間內(nèi)爆炸產(chǎn)生的內(nèi)力遠(yuǎn)大于煙花的重力，則可認(rèn)為符合動(dòng)量守恒條件。同時(shí)，爆炸是一個(gè)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過(guò)程，煙花彈的動(dòng)能增加量為E，是化學(xué)能轉(zhuǎn)化的結(jié)果。

綜上所述，爆炸過(guò)程可從動(dòng)量守恒和能量守恒兩個(gè)角度加以研究，這就是“爆炸模型”的處理方法。正確列出動(dòng)量守恒、能量守恒的關(guān)系方程，求出炸開(kāi)的兩部分的速度。再運(yùn)用機(jī)械能守恒定律處理向上運(yùn)動(dòng)部分，則可求出煙花彈向上運(yùn)動(dòng)的部分距地面的最大高度。

例2：高鐵列車在啟動(dòng)階段的運(yùn)動(dòng)可看作初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，在啟動(dòng)階段列車的動(dòng)能，正確的說(shuō)法是( )。

A. 與時(shí)間成正比

B. 與位移成正比

C. 與速度成正比

D. 與動(dòng)量成正比

分析：將高鐵列車的運(yùn)動(dòng)理想化為勻變速直線運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用相關(guān)公式，建立起動(dòng)能與時(shí)間、位移、速度及動(dòng)量之間的聯(lián)系。

建構(gòu)物理模型是一種基本的科學(xué)思維方式，科學(xué)探究、解決復(fù)雜的工程技術(shù)問(wèn)題都需要建構(gòu)模型，這是需要大力去培養(yǎng)的能力。

2.2 科學(xué)推理

科學(xué)推理要求能正確運(yùn)用科學(xué)思維方法，從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論，并能解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題。

例3：如圖1所示，abc是豎直面內(nèi)的光滑固定軌道，ab水平，長(zhǎng)度為2R。bc是半徑為R的四分之一圓弧，與ab相切于b點(diǎn)。一質(zhì)量為m的小球，始終受到與重力大小相等的水平外力作用，自a點(diǎn)處從靜止開(kāi)始向右運(yùn)動(dòng)。重力加速度大小為g。小球從a點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到其軌跡最高點(diǎn)，機(jī)械能的增量為( )。

圖1

A． 2mgRB． 4mgR

C． 5mgRD． 6mgR

分析：本題要求考生根據(jù)題中情景找出解決問(wèn)題的規(guī)律，包括動(dòng)能定理、功能關(guān)系、豎直上拋、勻變速直線運(yùn)動(dòng)、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、運(yùn)動(dòng)的合成與分解等，從定量的角度進(jìn)行科學(xué)推理。小球從a至c運(yùn)動(dòng)，先運(yùn)用動(dòng)能定理求出到c的速度，再根據(jù)在c點(diǎn)小球的受力情況和速度情況，判斷速度與力之間的夾角，推理得出離開(kāi)軌道以后的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)：在水平方向做勻加速直線運(yùn)動(dòng)、在豎直方向做豎直上拋運(yùn)動(dòng)。根據(jù)以上判斷，選擇合適的物理原理，由于兩個(gè)方向分運(yùn)動(dòng)互相獨(dú)立、互不影響，分別研究每一方向較為方便。運(yùn)用豎直上拋的規(guī)律求出豎直方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，然后運(yùn)用勻變速運(yùn)動(dòng)規(guī)律定量計(jì)算出離開(kāi)軌道以后水平方向的位移。再根據(jù)功能關(guān)系定量求出外力所做的功即為機(jī)械能的變化量，得到結(jié)論。

本題要求學(xué)生分析情景，找出合理解決問(wèn)題的規(guī)律，根據(jù)規(guī)律進(jìn)行定量推理，形成結(jié)論，思維過(guò)程渾然一體，是全面考查科學(xué)推理能力的典型題目。

考查科學(xué)推理能力的還有第16題，需要選用牛頓第二定律、胡克定律、運(yùn)動(dòng)規(guī)律等進(jìn)行演繹推理，形成結(jié)論，并用圖像合理表達(dá)出來(lái)。

2.3 科學(xué)論證

科學(xué)論證要求具有使用科學(xué)證據(jù)的意識(shí)和評(píng)估科學(xué)證據(jù)的能力，能運(yùn)用證據(jù)對(duì)研究的問(wèn)題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測(cè)。

例4：2017年，人類第一次直接探測(cè)到來(lái)自雙子星合并的引力波。根據(jù)科學(xué)家復(fù)原的過(guò)程，在兩顆中子星合并前約100s時(shí)，它們相距約400km，繞二者連線上的某點(diǎn)每秒轉(zhuǎn)12圈。兩顆中子星都看作質(zhì)量均勻分布的球體，由這些數(shù)據(jù)、萬(wàn)有引力常量并利用牛頓力學(xué)知識(shí)，可以估算出這一時(shí)刻兩顆中子星( )。

A. 質(zhì)量之積 B. 質(zhì)量之和

C. 速度之和 D. 各自的自轉(zhuǎn)角速度

2.4 質(zhì)疑創(chuàng)新

質(zhì)疑創(chuàng)新要求學(xué)生具有批判性思維能力，能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑，從不同角度思考問(wèn)題，追求創(chuàng)新。

例5：圖2中虛線a、b、c、d、f代表勻強(qiáng)電場(chǎng)內(nèi)間距相等的一組等勢(shì)面，已知平面b上的電勢(shì)為2V。一電子經(jīng)過(guò)a時(shí)的動(dòng)能為10eV,從a到d的過(guò)程中克服電場(chǎng)力所做的功為6eV。下列說(shuō)法正確的是( )。

圖2

A. 平面c上的電勢(shì)為零

B. 該電子可能到不了平面f

C. 該電子經(jīng)過(guò)平面d時(shí)，其電勢(shì)能為4eV

D. 該電子經(jīng)過(guò)平面b時(shí)的速率是經(jīng)過(guò)d時(shí)的2倍

分析：根據(jù)題意，推理得到相鄰等勢(shì)面電勢(shì)差為2V后，很多學(xué)生受思維定勢(shì)影響，以為電子沿著垂直于等勢(shì)面進(jìn)入，則電子從a到f克服電場(chǎng)力做功為8eV，電子到f面后還具有的動(dòng)能為2eV，能達(dá)到f面，而錯(cuò)誤地排除了B選項(xiàng)。只要學(xué)生能大膽質(zhì)疑、從不同角度思考，不難發(fā)現(xiàn)電子不一定沿垂直等勢(shì)面方向進(jìn)入，若電子沿著與等勢(shì)面成不為90°的角度射入，只要電子在沿等勢(shì)面方向上的分速度大小合適，完全有可能達(dá)到d面而不能達(dá)到f面。批判與質(zhì)疑的精神在本題解答中顯得非常可貴，跳出思維定勢(shì)從不同角度思考問(wèn)題尤為重要。

3 結(jié)語(yǔ)

理想模型的建構(gòu)是基于經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)的抽象概括過(guò)程。在課堂教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從物理學(xué)的視角觀察生活現(xiàn)象，針對(duì)實(shí)際現(xiàn)象排除次要、表象的因素，抽取主要因素，形成理想化模型，再依據(jù)物理原理解決問(wèn)題。建立模型在解決實(shí)際問(wèn)題中成為關(guān)鍵一步，教師遇到學(xué)生沒(méi)有接觸過(guò)的情景、需要抽取主要因素形成模型的問(wèn)題時(shí)，要做好示范，合理聯(lián)想、抓住主要因素、直觀地呈現(xiàn)思維過(guò)程。經(jīng)常這樣做會(huì)使學(xué)生逐步學(xué)會(huì)在新情景中抽取有效信息，還原問(wèn)題情景，找準(zhǔn)思維的著力點(diǎn)，建立模型，展開(kāi)推理和論證。推理過(guò)程完成后，教師帶領(lǐng)學(xué)生一起回顧整個(gè)科學(xué)推理過(guò)程，明確指出教學(xué)過(guò)程中運(yùn)用的控制變量推理、歸納推理、類比推理等方法，梳理、顯化科學(xué)推理方法，方便學(xué)生理解，并在相似的問(wèn)題情境中進(jìn)行遷移。

培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)，養(yǎng)成先找出證據(jù)、再依據(jù)規(guī)律論證、最后得出結(jié)論的問(wèn)題解決習(xí)慣。為了評(píng)估每個(gè)證據(jù)對(duì)問(wèn)題解決是否有效，我們不妨在題目中設(shè)置干擾信息、冗余信息，讓學(xué)生在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中學(xué)會(huì)辨別和評(píng)估。可以通過(guò)一題多解引導(dǎo)學(xué)生從不同角度研究問(wèn)題，也可以通過(guò)開(kāi)放性的問(wèn)題情景，鼓勵(lì)學(xué)生展開(kāi)聯(lián)想、大膽創(chuàng)新。