(廣東省肇慶市封開縣江口中學(xué),廣東 肇慶 526500)

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)展的和社會發(fā)展需要的必備品質(zhì)和關(guān)鍵能力。研究物理學(xué)科核心素養(yǎng)，是落實立德樹人的重要舉措，也是適應(yīng)當(dāng)前教育改革發(fā)展趨勢和提升我國教育國際競爭力的迫切需要。模型建構(gòu)是科學(xué)思維的要素之一，物理學(xué)中的模型建構(gòu)要求在解決物理問題時遵循化繁為簡的原則，突出主要因素，忽略次要因素，根據(jù)條件構(gòu)建反映事物本質(zhì)的理想模型。

1 回溯物理學(xué)史，建模讓歸納、演繹更有活力

學(xué)生在物理模型構(gòu)建的過程中，需要在大量實驗的基礎(chǔ)上進行歸納，得到物理定律，然后根據(jù)歸納的物理定律來演繹出新的結(jié)論。在物理學(xué)發(fā)展史上，許多物理學(xué)家在分析和研究物理現(xiàn)象和物理過程時，忽略次要因素，抓住主要因素，通過歸納的方法建構(gòu)模型。

例如牛頓第一定律就是通過大量的實驗，利用歸納法建立物理模型，發(fā)現(xiàn)定律。如圖1所示，伽利略通過雙斜面實驗，讓小球從一個斜面上滾下，然后滾上另一個斜面。小球可到達另一個斜面上和原來稍低一些的位置，伽利略再讓斜面的傾角減小,小球的運動距離越來越遠(yuǎn)。如果斜面變?yōu)樗矫媲覜]有摩擦，小球為了上升到相同高度，將永遠(yuǎn)運動下去。從而得出物體的運動不需要力來維持、力是改變物體運動狀態(tài)的原因等重要結(jié)論。

圖1

在教學(xué)中建構(gòu)物理模型需要對物理現(xiàn)象及其本質(zhì)進行探索，它建立在學(xué)生所習(xí)得的基礎(chǔ)知識和基本技能、綜合運用所學(xué)知識分析和解決實際問題的基礎(chǔ)上，因此高中物理教學(xué)要多做經(jīng)典實驗，讓學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家運用實驗和科學(xué)思維揭示物理規(guī)律的方法。

2 分析問題需要模型的支撐

理想化模型是通過對要研究的物理現(xiàn)象加以簡化，抓住關(guān)鍵因素將其理想化，運用理想化方法，建構(gòu)出對應(yīng)的物理模型。

構(gòu)建物理模型時應(yīng)用理想化可有多種方法，例如將氣體變化過程進行理想化建立了理想氣體等壓過程，將其所處環(huán)境進行理想化，則有光滑和絕熱過程等。

例1(2019年全國Ⅰ卷第33題):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。初始時容器中空氣的溫度與外界相同，壓強大于外界。現(xiàn)使活塞緩慢移動，直至容器中的空氣壓強與外界相同。此時，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。

評析：該試題立足實際生活中的“空氣”,“可看為”表明對研究問題可以近似簡化為理想模型——“理想氣體”。通過對實際問題的研究，利用物理原理，抓住主要因素、忽略次要因素所構(gòu)造出來的模型就是理想物理模型。其命題思想為：(1) 滲透了物理學(xué)科必備品質(zhì)，在一定條件下，把復(fù)雜的實際對象簡化和近似，抽象為最簡單的足以表征主要特點性能的理想化模型。(2) 注重考查學(xué)生建構(gòu)模型、分析問題的能力(如圖2)。根據(jù)情景分析知，要減小內(nèi)部壓強只能是增大體積，即W<0；由容器和活塞絕熱性能良好知氣體經(jīng)歷的是絕熱過程，Q=0；再由熱力學(xué)第一定律：ΔU=Q+W，知ΔU<0，所以容器中空氣的溫度低于外界溫度。由氣體壓強的微觀解釋，影響氣體壓強的兩個因素為：溫度和密度，容器內(nèi)溫度低，但壓強與外界相同，那一定是容器中空氣的密度大于外界空氣的密度。

圖2

該題是根據(jù)物理模型加上某些實際情景而編制，在教學(xué)中教師一定要注意培養(yǎng)學(xué)生建模的意識，訓(xùn)練學(xué)生掌握建模的方法，培養(yǎng)學(xué)生依據(jù)題意創(chuàng)建物理模型，應(yīng)用所學(xué)知識分析、推理得出結(jié)論。

例2(2016年高考全國Ⅰ卷第17題)：利用三顆位置適當(dāng)?shù)牡厍蛲叫l(wèi)星，可使地球赤道上任意兩點之間保持無線電通訊。目前，地球同步衛(wèi)星的軌道半徑約為地球半徑的6.6倍。假設(shè)地球的自轉(zhuǎn)周期變小，若仍僅用三顆同步衛(wèi)星來實現(xiàn)上述目的，則地球自轉(zhuǎn)周期的最小值約為( )。

A.1h B. 4h C.8h D.16h

圖3

評析：該題不同以往平時所練習(xí)的同步衛(wèi)星，因地球自轉(zhuǎn)周期變小，衛(wèi)星要與地球保持同步，則衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)周期也應(yīng)隨之變小。要實現(xiàn)三顆衛(wèi)星覆蓋全球的目的，求得衛(wèi)星的最小周期，需要由幾何關(guān)系可建構(gòu)出它們間的位置關(guān)系模型(如圖3)。此題得分率較低，原因之一就是學(xué)生沒有根據(jù)題意構(gòu)建出物理模型，找不到思維的支撐點，無法形成正確的解題思路。

3 抽象的數(shù)學(xué)圖像需要物理模型映襯、呈現(xiàn)和簡化

運用抽象法構(gòu)建物理模型是指從某一具體事物的某一個屬性或特點來進行物理模型構(gòu)建。而類比的方法即人們在物理研究中發(fā)現(xiàn)許多物理現(xiàn)象，彼此之間存在著許多相同或相似的物理屬性，進而推測他們之間也存在著一些另外的物理屬性，建立起相應(yīng)的物理模型，通過對已知情況和未知情況的類比，推測兩者模型間的相似，找出未知情況的物理特性。

圖4

例3(2019年全國Ⅰ卷第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由靜止向下運動，物體的加速度a與彈簧的壓縮量x間的關(guān)系如圖4中實線所示。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4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

評析：與星球相聯(lián)系的模型是地球，把地球模型延伸到“星球M”和“星球N”，根據(jù)題意構(gòu)建的物理模型如圖5所示。

圖5

理綜Ⅰ卷21題中含有2個物體、2個星球和1個彈簧，考查的對象多、過程多、知識點多。物理圖像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，清晰地表示出物理量之間的相互關(guān)系及變化趨勢，增強了學(xué)生對物理過程的理解，可以很好地對物理過程進行直觀的定性分析。以圖像與構(gòu)建物理模型為背景的命題成為近幾年高考考查的熱點，許多物理規(guī)律和定理都是來源于實際，將實際的研究對象或問題簡化抽象為理想化模型，進行推理，可得出所涉及的物理量間的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律。教師在平時要加強模型建構(gòu)的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生抓住主要因素、忽略次要因素的意識，將許多復(fù)雜繁瑣的物理情景，通過建立模型，轉(zhuǎn)化成容易分析思考的簡單物理情景，建構(gòu)成常見的、熟知的、有認(rèn)知經(jīng)驗的物理模型，從而使抽象的問題具體化，使問題的處理更加簡捷、準(zhǔn)確和到位。

4 結(jié)語

物理與實踐結(jié)合非常緊密，在教學(xué)中教師必須重視學(xué)生物理模型構(gòu)建與應(yīng)用能力的培養(yǎng)，這不僅有助于增強學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣，有效提高學(xué)生的思維品質(zhì)，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力，還為他們將來從事各種工作打下堅實的基礎(chǔ)。