樊祥民 黃 磊

(菏澤醫(yī)學(xué)專科學(xué)校物理教研室 山東 菏澤 274000)

縱觀近年來的高考物理試題，命題突出基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性的特點(diǎn)[1]，重點(diǎn)考查學(xué)生的知識、能力和科學(xué)素養(yǎng).尤其是高考物理壓軸題，問題情境復(fù)雜、思維性強(qiáng)，注重物理過程分析，要求學(xué)生具備較強(qiáng)的理論聯(lián)系實(shí)際的能力、邏輯推理能力和科學(xué)思維技能.

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在面對高考題型中綜合性問題(包括壓軸題)時，普遍存在幾乎相同的解題困難，主要表現(xiàn)在：

(1)對問題不知從何下手，找不到分析問題的切入點(diǎn)，找不準(zhǔn)思維的著力點(diǎn).

(2)對問題不能整體性把握，思考缺乏連續(xù)性，無法完整解決問題[2].

學(xué)生之所以會存在這樣的問題，一些研究者會做出各種分析.文獻(xiàn)[3]認(rèn)為學(xué)生尚不能用一種綜合的“思維方式”來分析和解釋問題情境，不能把頭腦中的知識結(jié)構(gòu)與實(shí)際問題聯(lián)系起來；文獻(xiàn)[4]認(rèn)為學(xué)生無法理清復(fù)雜問題整體和部分的關(guān)系，不能恰當(dāng)找出研究對象，對問題中的物理過程分析不透；文獻(xiàn)[5]在研究中指出，學(xué)生缺乏自覺地遵循物理法則來思考問題和按照物理學(xué)嚴(yán)密的邏輯思維方式來處理問題的能力；文獻(xiàn)[6]研究表明，學(xué)生在不同問題情形中解釋、運(yùn)用物理知識的能力不足，尚不能把所學(xué)理論與現(xiàn)實(shí)世界聯(lián)系起來，不理解合乎物理學(xué)要求的解釋應(yīng)該由什么構(gòu)成.

文獻(xiàn)[7]從物理認(rèn)知規(guī)律出發(fā)，指出在物理教育教學(xué)中，如果能培養(yǎng)學(xué)生有意識地遵循物理認(rèn)知規(guī)律去學(xué)習(xí)和思考，能夠幫助學(xué)生建立完整的物理知識體系和清晰的物理圖像，防止其知識系統(tǒng)碎片化，對知識會有較為全面的把握.學(xué)生做題時會得心應(yīng)手，也會更靈活、更準(zhǔn)確.

綜上所述，我們嘗試運(yùn)用物理認(rèn)知規(guī)律，探索解答綜合性物理問題的解題思路，以便找到解決上述問題的路徑.希望本文的研究對從事物理教學(xué)的教師和學(xué)習(xí)物理的學(xué)生有所啟發(fā).

1 物理認(rèn)知規(guī)律

文獻(xiàn)[8]根據(jù)物理學(xué)家在實(shí)踐中的嘗試總結(jié)歸納出一個物理認(rèn)知規(guī)律模型，如圖1所示.

從圖1可以看出，物理認(rèn)知規(guī)律由11個具體認(rèn)知過程(步驟)構(gòu)成，每一個認(rèn)知過程(步驟)中有各自采用的主要物理方法.其中，過程1～5屬于實(shí)驗(yàn)物理認(rèn)知階段，過程6～8屬于理論物理認(rèn)知階段，過程9～11屬于應(yīng)用物理認(rèn)知階段，這3個物理認(rèn)知階段構(gòu)成了一個完整的系統(tǒng)化的物理認(rèn)知，應(yīng)用物理認(rèn)知是實(shí)驗(yàn)物理認(rèn)知和理論認(rèn)知的積累和升華.做物理題對應(yīng)的是應(yīng)用物理認(rèn)知階段，體現(xiàn)的是應(yīng)用物理認(rèn)知能力.如果學(xué)生實(shí)驗(yàn)物理認(rèn)知、理論物理認(rèn)知沒有很好地建立起來，學(xué)生做高考題型中綜合性問題的時候就會遇到困難.

圖1 文獻(xiàn)[8]物理認(rèn)知規(guī)律模型

盡管物理試題設(shè)置的問題情境各有相同，由于物理認(rèn)知的規(guī)律是不變的，因此每道物理題的解題思路應(yīng)該具有共性.從題目描述的物理現(xiàn)象開始，圍繞物理現(xiàn)象將所需的實(shí)驗(yàn)物理認(rèn)知和理論物理認(rèn)知有機(jī)整合在一起，并采用合適的物理表達(dá)形式(如公式、圖像等)將其中的物理過程一一表達(dá)出來，從而形成一個較為固定的綜合思維方式來解題.可以說，按照物理認(rèn)知規(guī)律指導(dǎo)做題，能夠起到以不變應(yīng)萬變的效果.當(dāng)面對真實(shí)和復(fù)雜的實(shí)際問題時，運(yùn)用物理認(rèn)知規(guī)律，可以清晰而有邏輯地將所學(xué)理論知識與實(shí)際問題聯(lián)系起來.

基于對穆良柱物理認(rèn)知規(guī)律模型的理解，我們總結(jié)并歸納出解答高考題型中綜合性問題的解題思路.

(1)閱讀題干，采用分類的方法，確定題目所描述的物理現(xiàn)象屬于哪一類物質(zhì)運(yùn)動，如機(jī)械運(yùn)動、電磁運(yùn)動、分子熱運(yùn)動、原子和原子核運(yùn)動等.

(2)選擇特定的研究對象.當(dāng)題目涉及多個研究對象時，按照最簡化方法，每次選擇的研究對象要具體、單一.

(3)按照抓住主要因素、忽略次要因素的原則，進(jìn)一步明確圍繞特定研究對象物理現(xiàn)象的物理模型[2].

(4)運(yùn)用所學(xué)知識，確定描述特定研究對象運(yùn)動所需的物理量.

(5)根據(jù)題目要求及所給條件(必要時，會運(yùn)用理論知識做出推斷)，圍繞所確定的物理量，結(jié)合運(yùn)動過程和物理模型，運(yùn)用所學(xué)的相關(guān)物理規(guī)律，采用合適的表達(dá)式或圖像將各個物理量之間的關(guān)系一一表達(dá)出來.

(6)求解物理量.

下面以2020年高考理綜全國卷Ⅰ第25題為例，詳細(xì)說明上述解題思路的具體應(yīng)用.

2 基于物理認(rèn)知規(guī)律解題思路的應(yīng)用舉例

2.1 原題呈現(xiàn)

在一柱形區(qū)域內(nèi)有勻強(qiáng)電場，柱的橫截面積是以O(shè)為圓心、半徑為R的圓，AB為圓的直徑，如圖2所示.質(zhì)量為m、電荷量為q(q>0)的帶電粒子在紙面內(nèi)自A點(diǎn)先后以不同的速度進(jìn)入電場，速度方向與電場的方向垂直.已知剛進(jìn)入電場時的速度為零的粒子，自圓周上的C點(diǎn)以速率v0穿出電場，AC與AB的夾角θ=60°.運(yùn)動中的粒子僅受電場力作用.

(1)求電場強(qiáng)度的大??；

(2)為使粒子穿過電場后的動能增量最大，該粒子進(jìn)入電場時的速度應(yīng)為多大？

(3)為使粒子穿過電場前后動量變化量的大小為mv0，該粒子進(jìn)入電場時的速度應(yīng)為多大？

圖2 試題原圖

2.2 解題思路分析

閱讀題干，初步地進(jìn)行整體分析：題干所描述的物理現(xiàn)象是帶電粒子在電場中的運(yùn)動，所涉及的研究對象只有一個物體：質(zhì)量為m、電荷量為q(q>0)的帶電粒子(根據(jù)題目信息，粒子的重力忽略不計).針對選擇的特定研究對象(即帶電粒子)，如圖3所示，粒子沿x軸方向做勻速直線運(yùn)動，沿y軸方向(即電場方向)做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動.因此，帶電粒子在電場中做類平拋運(yùn)動.根據(jù)粒子沿x軸方向做勻速直線運(yùn)動的速度大小不同，帶電粒子最終會在弧DBC上任意位置穿出電場(可以推斷出不包含D點(diǎn)).

圖3 試題分析圖

(1)結(jié)合前面的整體分析，當(dāng)粒子沿x軸方向的速度為零時，粒子只沿y軸方向(即電場方向)做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動.運(yùn)用中學(xué)物理教材中有關(guān)勻加速直線運(yùn)動的知識，確定描述粒子做勻加速直線運(yùn)動的物理量有速度(初速度v、末速度v′)、加速度(a)、位移(x)和時間(t).并由題意可知：v=0，v′=v0.如圖4所示，由幾何關(guān)系可知AC=R,即x=R.

圖4 試題(1)圖

根據(jù)運(yùn)動學(xué)公式可得

v′=v+at

由牛頓第二定律可得

F=ma

圖5 試題(2)圖

(3)與第(2)問比較，可以發(fā)現(xiàn)，第(3)問要求解的問題與第(2)問相同，僅僅是前提條件發(fā)生了改變，由“為使粒子穿過電場后的動能增量最大”改變?yōu)椤盀槭沽Ｗ哟┻^電場前后動量變化量的大小為mv0”.因此第(3)問的解題思路與第(2)問的解題思路基本一致，這里只做簡單敘述.假設(shè)粒子在弧DBC上某位置E點(diǎn)穿出電場，如圖6所示.

圖6 試題(3)圖

3 結(jié)束語

高考題型中綜合性問題通常是把一個或多個研究對象設(shè)置在特定的條件下并提出一系列相關(guān)問題，無論問題情境多么復(fù)雜，對同一類物理現(xiàn)象，其遵循的物理規(guī)律是不變的.運(yùn)用基于物理認(rèn)知規(guī)律的解題思路，可以幫助學(xué)生有條理、有方法、有依據(jù)、有步驟地分析問題所呈現(xiàn)的物理現(xiàn)象，形成有選擇性、有方向性的思維合力，然后運(yùn)用所學(xué)的物理規(guī)律規(guī)范地解釋、表達(dá)現(xiàn)象.學(xué)生們在解決綜合性物理習(xí)題(試題)的時候，往往只注重用公式演算得出結(jié)論，忽視了對物理現(xiàn)象的分析和物理模型的建立[2]，做題的時候依賴以前的做題經(jīng)驗(yàn)[7]，以至于面對一些解題思路完全相同、僅知識條件和問題情境不同的習(xí)題(試題)的時候，學(xué)生們卻不能很好地完成解答[9].基于物理認(rèn)知規(guī)律的解題思路，可以有效幫助學(xué)生克服以上問題.

學(xué)生在日常的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的過程中，運(yùn)用物理認(rèn)知規(guī)律的解題思路指導(dǎo)做題的另一個好處是：當(dāng)題目做錯的時候，該解題思路可以幫助學(xué)生分析哪一步出了問題，并且可以具體到是知識上的錯誤還是邏輯推導(dǎo)上的錯誤[7].

基于物理認(rèn)知規(guī)律的解題思路是一種完整性、系統(tǒng)性的解題思路，對于每一道物理題，都可以運(yùn)用這種解題思路，在此基礎(chǔ)上，有利于學(xué)生夯實(shí)基礎(chǔ)知識，提高分析問題解決問題的能力，培養(yǎng)科學(xué)思維技能和發(fā)展學(xué)科素養(yǎng).