立足模型構建 提升科學思維①
——2022年高考全國物理乙卷壓軸題評析

李健華

(廣東省深圳市龍崗區布吉高級中學,廣東 深圳 518100)

1 引言

《普通高中物理課程標準(2017年版2020年修訂)》提出的基本理念之一為:“注重體現物理學科本質,培養學生物理學科核心素養?！备咧形锢斫虒W要從物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面提高學生的核心素養,為學生終身發展打好基礎。科學思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素,在物理學科核心素養中處于重要地位。其中模型建構既是高中物理教學的內容,也是解決物理問題的手段。課程標準對于模型構建的學業質量水平劃分了5級水平,水平1為:能說出一些簡單的物理模型;水平2為:能在熟悉的問題情境中應用常見的物理模型;水平3為:能在熟悉的問題情境中根據需要選用恰當的模型解決簡單的物理問題;水平4為:能將實際問題中的對象和過程轉換成物理模型;水平5為:能將較復雜的實際問題中的對象和過程轉換成物理模型。2022年全國高考壓軸題較好地考查了物理學科核心素養,特別考查了模型建構能力。

2 試題呈現與解析

2.1 試題呈現

如圖1所示,一質量為m的物塊A與輕質彈簧連接,靜止在光滑水平面上;物塊B向A運動,t=0時與彈簧接觸,到t=2t0時與彈簧分離,第一次碰撞結束,A、B的v-t圖像如圖2所示。已知從t=0到t=t0時間內,物塊A運動的距離為0.36v0t0。A、B分離后,A滑上粗糙斜面,然后滑下,與一直在水平面上運動的B再次碰撞,之后A再次滑上斜面,達到的最高點與前一次相同。斜面傾角為θ(sinθ=0.6),與水平面光滑連接。碰撞過程中彈簧始終處于彈性限度內。求:

圖1

圖2

(1) 第一次碰撞過程中,彈簧彈性勢能的最大值;

(2) 第一次碰撞過程中,彈簧壓縮量的最大值;

(3) 物塊A與斜面間的動摩擦因數。

2.2 試題解析

3 試題賞析

該試題考查的物理觀念有:運動與相互作用觀念、能量觀念,涉及動量守恒中的碰撞問題、勻變速直線運動問題。A、B兩物塊通過彈簧的作用,當B向前壓縮彈簧時,B做加速度增加的減速運動,A做加速度增加的加速運動,當兩物塊速度達到相等時,兩者的距離最短,即彈簧壓縮至最短,這一過程可視為完全非彈性碰撞,減少的動能轉化為彈性勢能,從而可以輕松解決第(1)問。接著A繼續加速、B繼續減速,A、B兩物塊之間距離增加,即彈簧變長,直到彈簧達到原來長度,兩物塊在水平面上分離,這個過程可視為彈性碰撞。物塊A在斜面上運動的速度先減到0,然后加速回到水平面,物塊A向左壓縮彈簧、再反彈,與B物塊分離,這一過程可視為彈性碰撞,從而解出物塊A返回到水平面的速度,為下一步求出動摩擦因數打好基礎。

該試題通過對A、B兩物塊多過程的復雜情境的設置,體現了課標的以下內容要求:了解彈性碰撞和非彈性碰撞的特點,定量分析一維碰撞問題并能解釋生產生活中的彈性和非彈性碰撞現象;會用守恒定律分析物理問題的方法,體會自然界的和諧與統一。

4 教學建議

動量守恒定律是高中物理中的一個重要規律,是歷年高考中的考查熱點。課標提出:“體會用守恒定律分析物理問題的方法,體會自然界的和諧與統一?！边@是我們教學中需要思考的重要問題,筆者在教學實踐中發現,從能量守恒出發,抓住碰撞中動能變化這個核心,可以構建三種物理模型,從而突破教學中的重、難點。

4.1 從動量和動能守恒出發,建構彈性碰撞模型

4.2 從系統動能損失最大出發,建構完全非彈性碰撞模型

4.3 從系統動能增加出發,建構爆炸模型

5 結語

模型建構能力是高考物理的考查熱點,也應該是物理教學的重點。在動量守恒定律教學中涉及多個模型的建構,從動能變化的視角可劃分為以下三種模型:彈性碰撞模型、完全非彈性模型、爆炸模型。在教學中如果抓住這些重點,根據實際情境建構適當的物理模型,有助于學生在解決較復雜的實際問題時,將對象和過程轉換成物理模型,從而提升他們的科學思維能力和問題解決能力。