黃愛國(guó)

(華南師范大學(xué)附屬中學(xué),廣東 廣州 510630)

2017年版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)提出的物理核心素養(yǎng)包含了物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任．“物理觀念”是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí);是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華;是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)．通過(guò)高中階段的學(xué)習(xí),學(xué)生初步具有現(xiàn)代物理的物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)觀念、相互作用觀念、能量觀念等,能用這些觀念描述自然界的圖景．學(xué)生經(jīng)過(guò)高一高二的物理學(xué)習(xí)對(duì)物理概念和物理規(guī)律有一定的認(rèn)識(shí),初步形成了水平層級(jí)較低的物理觀念．在高三的復(fù)習(xí)備考中挖掘高考試題內(nèi)涵,讓學(xué)生將掌握的物理概念和規(guī)律融會(huì)貫通,發(fā)展學(xué)生高水平層級(jí)物理觀念．

1 創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境,讓學(xué)生感受身邊的物理

人們對(duì)物理學(xué)的研究是起源于實(shí)際生活中對(duì)物體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的研究．人們把觀察物體運(yùn)動(dòng)后總結(jié)出來(lái)的結(jié)論進(jìn)行歸納整理,形成了早期的物理觀念．因此,物理離不開生活,生活離不開物理．高考試題有不少來(lái)源于生產(chǎn)生活的真實(shí)問題,注重理論聯(lián)系實(shí)際．通過(guò)這些真實(shí)的問題情境,讓學(xué)生感受身邊的物理．

例1.(2020年全國(guó)Ⅰ卷第14題)行駛中的汽車如果發(fā)生劇烈碰撞,車內(nèi)的安全氣囊會(huì)被彈出并瞬間充滿氣體．若碰撞后汽車的速度在很短時(shí)間內(nèi)減小為0,關(guān)于安全氣囊在此過(guò)程中的作用,下列說(shuō)法正確的是

(A) 增加了司機(jī)單位面積的受力大小.

(B) 減少了碰撞前后司機(jī)動(dòng)量的變化量.

(C) 將司機(jī)的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)換成汽車的動(dòng)能.

(D) 延長(zhǎng)了司機(jī)的受力時(shí)間并增大了司機(jī)的受力面積.

用安全氣囊真實(shí)問題考查學(xué)生相互作用的物理觀念;汽車發(fā)生劇烈碰撞時(shí),彈開的安全氣囊的作用是增大相互作用的時(shí)間和面積,在速度變化相同的情況下,即動(dòng)量改變量相同的條件下,可以減少相互作用力,保護(hù)司機(jī)的人身安全．學(xué)生通過(guò)這道題感受到身邊處處有物理,慢慢地養(yǎng)成用物理知識(shí)、物理觀念來(lái)解釋生活現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的良好習(xí)慣．

2 融會(huì)貫通概念和規(guī)律,促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建物理觀念

高考試題綜合性比較強(qiáng),每一道試題要考查多個(gè)物理概念和規(guī)律．通過(guò)挖掘高考試題考查概念規(guī)律之間關(guān)聯(lián)和進(jìn)階關(guān)系,可以讓學(xué)生融會(huì)貫通概念和規(guī)律,由知識(shí)網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)階關(guān)系構(gòu)建物理觀念．

圖1

例2.(2019年全國(guó)1卷第15題)如圖1,空間存在一方向水平向右的勻強(qiáng)磁場(chǎng),兩個(gè)帶電小球P和Q用相同的絕緣細(xì)繩懸掛在水平天花板下,兩細(xì)繩都恰好與天花板垂直,則

(A) P和Q都帶正電荷.

(B) P和Q都帶負(fù)電荷.

(C) P帶正電荷,Q帶負(fù)電荷.

(D) P帶負(fù)電荷,Q帶正電荷.

本題涉及的物理概念和規(guī)律有“點(diǎn)電荷”、“電荷相互作用”、“電場(chǎng)和電荷的相互作用”、“作用力和反作用力”、“物體的平衡”等．

概念和規(guī)律融會(huì)貫通的思維過(guò)程如圖2所示，其中P、Q電荷間相互作用用F12、F21表示，勻強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)P、Q電荷作用力用F3，F(xiàn)4表示學(xué)生通過(guò)分析兩個(gè)點(diǎn)電荷之間多種相互作用及電荷在豎直方向上受力情況;然后綜合運(yùn)用物理概念和規(guī)律解決這道題的過(guò)程就是將物理概念和規(guī)律在頭腦中提煉和升華的過(guò)程,是一個(gè)逐步構(gòu)建相互作用觀念、提升物理觀念水平層級(jí)的過(guò)程．

圖2

3 試錯(cuò)破解慣性和誤區(qū),促進(jìn)學(xué)生修正物理觀念

在高一高二的物理學(xué)習(xí)過(guò)程中,部分學(xué)生常常因?yàn)樯罱?jīng)驗(yàn)的思維定勢(shì),形成不清晰的甚至是錯(cuò)誤的概念和規(guī)律,導(dǎo)致沒有形成正確的物理觀念．高三是學(xué)生高中學(xué)習(xí)的最后階段,在教學(xué)過(guò)程通過(guò)學(xué)生試錯(cuò)暴露出問題,給予及時(shí)的糾正和正確的示范引導(dǎo)．讓學(xué)生糾正他們的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí),幫助他們建立正確的知識(shí)結(jié)構(gòu),修正物理觀念．

圖3

(A) 2mgR. (B) 4mgR.

(C) 5mgR. (D) 6mgR.

此題的綜合性較強(qiáng),對(duì)學(xué)生的審題能力和思維能力的要求都比較高,學(xué)生做起來(lái)往往感覺比較困難．此題給的圖只是一個(gè)半成品,小球的運(yùn)動(dòng)過(guò)程不僅僅局限于軌道上,學(xué)生必須通過(guò)認(rèn)真審題明確小球運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程后才能正確求解．學(xué)生答題過(guò)程中大致的錯(cuò)誤有如下3種情況．

錯(cuò)法1:由于本題描述的運(yùn)動(dòng)過(guò)程不限于只在軌道運(yùn)動(dòng)的過(guò)程,很多學(xué)生按照慣性思維,未注意到“軌跡最高點(diǎn)”的含義．因此雖然理解了機(jī)械能的增量等于水平外力所做的功,但忽略了小球從c點(diǎn)飛出去后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中外力所做的功,只求了從a到c的過(guò)程水平外力所做的功,得出ΔE=3mgR或者直接認(rèn)為只在水平軌道運(yùn)動(dòng)才受到水平外力,得出ΔE=2mgR.

錯(cuò)法2:懂得機(jī)械能增量ΔE=F(3R+x),但是對(duì)分運(yùn)動(dòng)的等時(shí)性不清楚,因此無(wú)法求出水平位移x.

圖4

學(xué)生充分暴露出錯(cuò)誤后,要求學(xué)生重新認(rèn)真審題后畫出小球運(yùn)動(dòng)的完整軌跡,進(jìn)行受力分析,明確求什么,然后再由功能關(guān)系或者機(jī)械能的定義找出待求的物理量,通過(guò)功能關(guān)系及力與運(yùn)動(dòng)一一破解．

正確解答:如圖4所示,作出小球運(yùn)動(dòng)軌跡的完整示意圖,設(shè)c點(diǎn)的速率為vc,飛出軌道后上升的高度為h,水平位移為x,最高點(diǎn)速率為vx．

通過(guò)學(xué)生試錯(cuò)暴露出對(duì)物理概念和規(guī)律掌握得不夠準(zhǔn)確,物理模型不夠清晰等．教師針對(duì)學(xué)生的思維慣性和認(rèn)識(shí)誤區(qū)給予分析糾正,就能較好地促進(jìn)學(xué)生修正物理觀念．

4 拓展試題情境和設(shè)問,促進(jìn)學(xué)生發(fā)展物理觀念

在教學(xué)過(guò)程中,通過(guò)一題多變、一題多問、一題多解等方式來(lái)拓展問題情境,鍛煉學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力,發(fā)展學(xué)生的思維水平．增加試題信息的廣度和深度,要求學(xué)生能夠從復(fù)雜情景中獲取信息,建立文字、圖像等不同信息呈現(xiàn)方式之間的聯(lián)系,從而構(gòu)建正確的物理圖景,發(fā)展學(xué)生的物理觀念,使處于不同水平層級(jí)的學(xué)生都有發(fā)展的空間．

圖5

例4.(2019年全國(guó)Ⅱ卷第24題)如圖5,兩金屬板P、Q水平放置,間距為d．兩金屬板正中間有一水平放置的金屬網(wǎng)G,P、Q、G的尺寸相同．G接地,PQ的電勢(shì)均為φ(φ>0)．質(zhì)量為m,電荷量為q(q>0)的粒子自G的左端上方距離G為h的位置,以速度v0平行于紙面水平射入電場(chǎng),重力忽略不計(jì)．

(1) 求粒子第1次穿過(guò)G時(shí)的動(dòng)能,以及它從射入電場(chǎng)至此時(shí)在水平方向上的位移大小;

(2) 若粒子恰好從G的下方距離G也為h的位置離開電場(chǎng),則金屬板的長(zhǎng)度最短應(yīng)為多少?

這兩問的思維難度并不高,主要是考察學(xué)生對(duì)帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況．由于設(shè)問簡(jiǎn)單,帶電粒子在電場(chǎng)中多種運(yùn)動(dòng)情況還沒有涉及到．為了促進(jìn)學(xué)生發(fā)展運(yùn)動(dòng)觀念,可以嘗試將本題的情境和設(shè)問進(jìn)行拓展．

圖6

由于帶電粒子射出電場(chǎng)時(shí)的位置B點(diǎn)與A點(diǎn)y坐標(biāo)相同,AB兩點(diǎn)的速度大小相等,可以求出A點(diǎn)的y坐標(biāo)yA和y方向的速度vy．

利用上述各式可解得A的速度和位置坐標(biāo);然后再利用A、B兩點(diǎn)的速度和位置的關(guān)系求出B點(diǎn)的速度為

方向與水平方向夾角為

斜向上飛出電場(chǎng),位置坐標(biāo)為

圖7

學(xué)生從基本物理模型入手,試題的前兩問并不困難．兩個(gè)拓展問題對(duì)學(xué)生能力要求較高,學(xué)生只有熟練掌握相關(guān)知識(shí)和方法,具備較高水平的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力,并且利用帶電粒子在兩個(gè)電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的周期性,通過(guò)類平拋基本模型的創(chuàng)新應(yīng)用才能較好地解決問題．通過(guò)這樣拓展問題情景,讓學(xué)生更加清晰地把握帶電粒子在電場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)情況,能較好的發(fā)展學(xué)生的運(yùn)動(dòng)觀念．

物理觀念劃分5個(gè)水平層級(jí)．從具有將物理學(xué)與實(shí)際相聯(lián)系的意識(shí);形成初步的物理觀念;具有物理觀念;具有清晰的物理觀念;具有清晰、系統(tǒng)的物理觀念．學(xué)生物理觀念的形成和提升不能一蹴而就,需要在不同的學(xué)段采取不同的教學(xué)策略,讓學(xué)生物理觀念水平層級(jí)螺旋式的提升．在高三復(fù)習(xí)教學(xué)過(guò)程中,通過(guò)挖掘高考試題內(nèi)涵,使學(xué)生把物理概念和物理規(guī)律融會(huì)貫通,才能較好地發(fā)展學(xué)生高水平層級(jí)的物理觀念,在學(xué)生進(jìn)入高校學(xué)習(xí)或工作中,從物理學(xué)的視角正確描述和解釋自然現(xiàn)象,靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題,為有效指導(dǎo)工作和生活實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)．