馬治廣

摘 要：2019年全國(guó)Ⅰ卷理綜物理試題計(jì)算量大，對(duì)學(xué)生綜合能力要求高，其中要求建模意識(shí)及能力的試題靈活、復(fù)雜、難度大.物理建模對(duì)學(xué)生分析能力要求高，是物理研究必須具備的能力，它是研究一切物理問題的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，是平時(shí)物理教師教學(xué)的重點(diǎn).

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);建模能力; 理想模型

文章編號(hào)：1008-4134（2019）19-0028中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

物理學(xué)科核心素養(yǎng)，是指在接受物理教育過程中學(xué)生逐步形成的、適應(yīng)學(xué)生終身發(fā)展和社會(huì)生活發(fā)展需要的必備品質(zhì)和關(guān)鍵能力.品質(zhì)指人的行為和作風(fēng)所顯示的思想、品性、認(rèn)識(shí)等.研究物理學(xué)科核心素養(yǎng)，是落實(shí)立德樹人的重要舉措，也是當(dāng)前教育改革發(fā)展趨勢(shì)和提升我國(guó)教育國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的迫切需要.

1 分析研究需要模型的支撐

在高中物理教學(xué)過程中，隨著物理知識(shí)的沉淀、思維品質(zhì)的逐步形成，學(xué)科能力的提升，學(xué)生的情感、態(tài)度和價(jià)值觀也逐步體現(xiàn)出來了.近些年高考試題更加注重對(duì)思維能力和品質(zhì)的考察，強(qiáng)調(diào)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，分析問題、解決問題的能力.

例如，2019年全國(guó)Ⅰ卷33題.[物理—選修3-3]某容器中的空氣被光滑活塞封住，容器和活塞絕熱性能良好，空氣可視為理想氣體.初始時(shí)容器中空氣的溫度與外界相同，壓強(qiáng)大于外界.現(xiàn)使活塞緩慢移動(dòng)，直至容器中的空氣壓強(qiáng)與外界相同.此時(shí)，容器中空氣的溫度_____（填“高于”“低于”或“等于”）外界溫度，容器中空氣的密度_____（填“大于”“小于”或“等于”）外界空氣的密度.

評(píng)析 試題立足實(shí)際生活“空氣”， “可視為”體現(xiàn)了研究問題可以近似簡(jiǎn)化為物理理想模型的“理想氣體”.通過對(duì)實(shí)際問題的研究觀察分解，利用物理原理，抓住主要因素，忽略一些不重要的因素所創(chuàng)造出來的模型即理想物理模型.命題思想：（1）滲透了物理學(xué)科必備素質(zhì)，在一定條件下，把復(fù)雜的實(shí)際研究對(duì)象簡(jiǎn)化和近似，抽象為最簡(jiǎn)單的足以表征主要特點(diǎn)性能的理想化模型來表示;（2）強(qiáng)化用模型探討分析問題的能力，如圖1所示.

根據(jù)模型情景分析知，要減小內(nèi)部壓強(qiáng)只能是增大體積，即W<0;絕熱知Q=0，又由熱力學(xué)第一定律：ΔU=Q+W 知 ΔU<0，所以得出容器中空氣的溫度低于外界溫度;由氣體壓強(qiáng)的微觀解釋，影響氣體壓強(qiáng)的兩個(gè)因素：溫度和密度.容器內(nèi)溫度低，但壓強(qiáng)與外界相同，那一定是容器中空氣的密度大于外界空氣的密度.依據(jù)題意創(chuàng)建物理模型，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析、推理得出結(jié)論，這是物理研究必備的素養(yǎng)品質(zhì).

2 函數(shù)圖象需要物理模型映襯

建模實(shí)際上是把復(fù)雜繁瑣的物理實(shí)際過程，通過建立模型展現(xiàn)、轉(zhuǎn)化成容易觀察、分析思考的簡(jiǎn)單物理情景，形成常見的、熟知的、有認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)的物理模型，從而使問題形象化、具體化，使物理問題的處理更加簡(jiǎn)捷、準(zhǔn)確和到位.同時(shí)，完成高中階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該初步具有現(xiàn)代物理的物質(zhì)觀、相互作用觀、運(yùn)動(dòng)觀和能量觀，并且能應(yīng)用其解釋自然現(xiàn)象和解決一些生活中的實(shí)際問題.2019年高考全國(guó)Ⅰ卷試題以“必備知識(shí)、關(guān)鍵能力、學(xué)科素養(yǎng)為考查內(nèi)容，以基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性、創(chuàng)新性為考察要求”，落實(shí)高考物理大綱的考核要求，強(qiáng)化能力立意，注重理論聯(lián)系實(shí)際，強(qiáng)調(diào)學(xué)以致用.例如，2019年全國(guó)Ⅰ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

A.M與N的密度相等

B.Q的質(zhì)量是P的3倍

C.Q下落過程中的最大動(dòng)能是P的4倍

D.Q下落過程中彈簧的最大壓縮量是P的4倍

評(píng)析 “在星球M上”聯(lián)系的模型“地球”，地球表面重力加速度，把這一“地球”模型延伸到“星球M”和“星球N”， 將文字翻譯成物理模型如圖2，

據(jù)牛頓第二定律：mg-kx= ma 即得a=g-kmx ， 聯(lián)合圖得kx0=mg， kx0=mpgp，g=3a，得：2kx0=mQgQ，gp=3a0，gQ=a0，得mpgpmQgQ=12，mQ=6mp，B選項(xiàng)錯(cuò)誤.又因RM=3RN，得ρMRMρNRN=gPgQ=3，ρM=ρN，A選項(xiàng)正確.

最大動(dòng)能時(shí)彈力等于重力，Ekmax=mgx-mg+02，得EKQmaxEKPmax=mQgQ2x0mpgpx0=14

，C選項(xiàng)正確.

由上圖簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)對(duì)稱性知Q、P下落過程中彈簧的最大壓縮量分別是4x0和2x0，D選項(xiàng)錯(cuò)誤.

物理學(xué)是一門“精密”的科學(xué)，要用很精確的數(shù)學(xué)工具（函數(shù)、圖象）來表述它的內(nèi)容.從物理學(xué)的發(fā)展史看，物理學(xué)的發(fā)展是離不開數(shù)學(xué)的.2019年《考試大綱》確定高考理工類物理科考試內(nèi)容，高考要求考生掌握五種能力：理解能力、推理能力、分析綜合能力、應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?其中對(duì)應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力要求十分明確：即要求學(xué)生能根據(jù)具體問題列出物理量之間的關(guān)系式，進(jìn)行推導(dǎo)和求解，并根據(jù)結(jié)果得出物理結(jié)論;必要時(shí)能運(yùn)用幾何圖形、函數(shù)圖象進(jìn)行表達(dá)、分析和處理問題.理綜Ⅰ卷21題，含有2個(gè)物體、2個(gè)星球和一個(gè)彈簧，考察了9個(gè)知識(shí)點(diǎn)，對(duì)象多過程多知識(shí)點(diǎn)多，而物理圖象a-x能形象地表述物理規(guī)律，結(jié)合物理模型，直觀地描述物理過程，鮮明地表示物理量之間的相互關(guān)系及變化趨勢(shì)，增強(qiáng)對(duì)物理過程的理解，可以很好地對(duì)物理過程進(jìn)行直觀的定性分析.有關(guān)以圖象與構(gòu)建物理模型為背景的命題，成為近幾年高考考查的熱點(diǎn).

3 建模能力在物理學(xué)發(fā)展史上是研究物理問題必備的綜合能力

物理學(xué)家伽利略曾經(jīng)做過兩個(gè)著名的斜面實(shí)驗(yàn). 小球從一個(gè)斜面上滾下然后滾上另一個(gè)斜面，如圖4所示，小球可到達(dá)另一個(gè)斜面上比原來稍低一些的位置，伽利略再讓斜面的傾角減小，小球的運(yùn)動(dòng)距離越來越遠(yuǎn)，如果斜面變?yōu)樗矫媲覜]有摩擦，小球?yàn)榱松仙较嗤叨?，將永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去.從而得出了物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來維持、力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因等重要結(jié)論.

在研究自由落體的時(shí)候，伽利略讓小球從斜面上滾下，如圖5所示，通過測(cè)量運(yùn)動(dòng)時(shí)間和滾下的距離得出結(jié)論：小球在斜面上做勻加速直線運(yùn)動(dòng).伽利略再讓斜面的傾角增加，得出了同樣的結(jié)論.然后伽利略做出推論：斜面的傾角為90°時(shí)，小球的運(yùn)動(dòng)也是勻加速直線運(yùn)動(dòng)即自由落體運(yùn)動(dòng)是勻加速直線運(yùn)動(dòng).建模能力是一種重要的綜合能力，需要對(duì)物理現(xiàn)象及其本質(zhì)和內(nèi)在規(guī)律的探索，它依賴于考生對(duì)所學(xué)相關(guān)課程基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能的掌握程度，以及綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析、解決實(shí)際問題的能力.客觀世界中物體間的相互作用相當(dāng)復(fù)雜，許多物理學(xué)家在分析和研究物理現(xiàn)象、物理過程時(shí)，忽略次要因素，抓住主要因素，通過簡(jiǎn)化、理想化和類比等方法創(chuàng)建模型，進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)探討、理論論證，形成了結(jié)論.

4 結(jié)束語

在實(shí)際的物理教學(xué)中，許多物理規(guī)律和定理都是

來源于將實(shí)際的研究對(duì)象或過程抽象簡(jiǎn)化為理想化模型，進(jìn)行演繹、推理得出所涉及的物理量間的相互關(guān)系.教師加強(qiáng)對(duì)模型的設(shè)計(jì)思想及分析思路的教學(xué)，有助于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)際復(fù)雜問題的處理能力、抓主要因素忽略次要因素的能力.在平時(shí)教學(xué)的潛移默化中要注意增強(qiáng)學(xué)生建模意識(shí)，才能有效地提高學(xué)生思維品質(zhì)，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力.

參考文獻(xiàn)：

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（收稿日期：2019-06-18）