高中物理創(chuàng)新模型的特征和教學(xué)策略初探

陳海亮

摘要：物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，在考題中命題者往往利用創(chuàng)新模型鑒別學(xué)習(xí)者的物理能力和學(xué)科核心素養(yǎng)。那么創(chuàng)新模型有什么特點(diǎn)，學(xué)習(xí)者需要具備什么樣的物理思維品質(zhì)和學(xué)科素養(yǎng)，是我們需要研究的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新模型;思維品質(zhì);學(xué)科素養(yǎng);教學(xué)策略

第一部分：創(chuàng)新模型的特征和分類

1.熟悉模型的新挖掘

【例1】如圖1，小車的上面固定一個(gè)光滑彎曲圓管道，整個(gè)小車（含管道）的質(zhì)量為2m，原來(lái)靜止在光滑的水平面上。今有一個(gè)可以看做質(zhì)點(diǎn)的小球（質(zhì)量為m，半徑略小于管道半徑），以水平速度v從左端滑上小車，小球恰好到達(dá)管道的最高點(diǎn)，然后從管道右端滑離小車。設(shè)重力加速度為g，關(guān)于這個(gè)過(guò)程，下列說(shuō)法正確的是（ ? ?）

A.小球滑離小車時(shí)，小車回到原來(lái)位置

B.小球滑離小車時(shí)小球的速度大小為

C.車上管道中心線最高點(diǎn)的豎直高度為

D.小球滑到最高點(diǎn)的過(guò)程中，小車的動(dòng)量變化量大小是

【解析】根據(jù)受力分析，系統(tǒng)水平方向動(dòng)量守恒，全程系統(tǒng)機(jī)械能守恒，由此可見小球全程為彈性碰撞，那么根據(jù)關(guān)系式 ， 得 ， ，代入數(shù)據(jù)得 ， ，那么選項(xiàng)B正確，但這與小球穿越管道后的情景是矛盾的，若穿越后車速向前，則球速也一定向前，且大于車速。其實(shí)動(dòng)碰靜的彈性碰撞還有一組解，那就是碰完后各自回到起始速度，即車的速度為 ，球的速度為 ，此解也符合前面的動(dòng)力學(xué)分析過(guò)程。

【總結(jié)】從穿越來(lái)看，此模型與熟悉的子彈打木塊類似，但是該過(guò)程無(wú)摩擦生熱;從碰撞來(lái)看，此模型與彈簧參與的彈性碰撞類似，但是該過(guò)程發(fā)生了穿越。這類模型的特點(diǎn)是命題者在常見模型下進(jìn)行了新的挖掘，讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知習(xí)慣的沖突，考察學(xué)生深層次多角度理解物理規(guī)律的能力。

2.多種熟悉模型的組合

【例2】（2019全國(guó)1卷21題）在星球M上將一輕彈簧豎直固定在水平桌面上，把物體P輕放在彈簧上端，P由靜止向下運(yùn)動(dòng)，物體的加速度a與彈簧的壓縮量x間的關(guān)系如圖2中實(shí)線所示。在另一星球N上用完全相同的彈簧，改用物體Q完成同樣的過(guò)程，其a-x關(guān)系如圖2中虛線所示，假設(shè)兩星球均為質(zhì)量均勻分布的球體。已知星球M的半徑是星球N的3倍，則（）

【總結(jié)】利用彈簧振子將萬(wàn)有引力與重力關(guān)系、豎直彈簧振子的對(duì)稱運(yùn)動(dòng)和變力做功（F-x面積為該力的功）加載到一個(gè)模型里面，僅僅只用一個(gè)函數(shù)圖進(jìn)行呈現(xiàn)，無(wú)實(shí)物情景圖。這種混合模型的變化組合角度是很多的，創(chuàng)新性較大，不僅需要學(xué)生對(duì)單個(gè)模型非常熟悉，還需要學(xué)生具備短時(shí)間內(nèi)剝離出每一個(gè)模型已知和未知的關(guān)系，從而簡(jiǎn)化問(wèn)題的能力。

3.打破常規(guī)完全創(chuàng)新的模型

【例3】如圖4，在兩個(gè)等量正點(diǎn)電荷連線的中垂線上，有a、b兩個(gè)點(diǎn)電荷繞O點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，且a、b與O始終在一條直線上。點(diǎn)電荷的重力不計(jì)，忽略a、b間的庫(kù)侖力，則a、b兩個(gè)點(diǎn)電荷的比荷之比為多少？

【解析】根據(jù)勻速圓周運(yùn)動(dòng)合力指向O點(diǎn)，則運(yùn)動(dòng)電荷必為負(fù)電荷，根據(jù)對(duì)稱，兩電荷的間距為2d，對(duì)a由牛頓第二定律有 ，角速度 相同，整理式子得 ;同理對(duì)b有 ，則a、b兩個(gè)點(diǎn)電荷的比荷之比為 。

【總結(jié)】等量同種電荷構(gòu)成的電場(chǎng)模型一般都限定于此平面內(nèi)的受力、運(yùn)動(dòng)和功能問(wèn)題。此題出現(xiàn)了勻速圓周運(yùn)動(dòng)，屬于打破常規(guī)完全創(chuàng)新的模型，需要學(xué)生抓住問(wèn)題的核心——?jiǎng)蛩賵A周運(yùn)動(dòng)合力提供向心力這個(gè)動(dòng)力學(xué)本質(zhì)，然后根據(jù)受力特征確定向心力，從而根據(jù)圓心位置逆向探索出運(yùn)動(dòng)學(xué)的空間立體結(jié)構(gòu)，需要學(xué)生有非常強(qiáng)的學(xué)科能力。

第二部分：培養(yǎng)學(xué)生正確的物理思維品質(zhì)和具體應(yīng)對(duì)策略

學(xué)生需要培養(yǎng)以下思維品質(zhì)：選出合適的研究對(duì)象，將對(duì)象抽象為質(zhì)點(diǎn)、桿、光線、一段波形、封閉系統(tǒng)等理想化模型;然后利用該模型相關(guān)的概念和規(guī)律去描述該對(duì)象所在的狀態(tài)和物理過(guò)程;最后選擇最合適的物理角度利用物理概念或者公式將問(wèn)題與條件連接起來(lái)，此處需要學(xué)生多從數(shù)學(xué)角度探索背后的物理關(guān)聯(lián)。

針對(duì)以上三種創(chuàng)新模型的特征，教師可幫助學(xué)生掌握以下應(yīng)對(duì)策略。

1.遇到熟悉模型新挖掘，利用好熟悉模型的切入點(diǎn)，尋找與熟悉模型的差別，思考原有模型所對(duì)應(yīng)知識(shí)的局限性，從而尋找突破口。切莫把問(wèn)題想象成一個(gè)徹底全新的模型，而丟棄熟悉的部分。

2.遇到組合模型，首先要抽離出研究對(duì)象，利用簡(jiǎn)圖建立理想模型輔助思考，確定各個(gè)問(wèn)題間的核心連接點(diǎn)，求解出核心物理量，選擇合適的物理狀態(tài)和物理過(guò)程然后各個(gè)擊破。

3.面對(duì)完全陌生的模型，一定要從熟悉的部分入手，利用簡(jiǎn)圖輔助想象出完整的物理過(guò)程或者結(jié)構(gòu)，以問(wèn)題為抓手，抽象出模型后，將其與常規(guī)模型進(jìn)行對(duì)比。切莫做無(wú)意義的展開和聯(lián)想，將問(wèn)題泛化，從而脫離主旨。

物理學(xué)特征決定了物理思維品質(zhì)和應(yīng)對(duì)策略，教師需要在教授物理過(guò)程中堅(jiān)持培養(yǎng)學(xué)生具備這樣的品質(zhì)，養(yǎng)成正確的思維品質(zhì)是處理創(chuàng)新物理模型的基石。

參考文獻(xiàn)：

[1]《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)2020年修訂版》

[2]《更高更妙的物理》編著：楊榕楠 浙江大學(xué)出版社