陳海亮

摘要：物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，在考題中命題者往往利用創(chuàng)新模型鑒別學(xué)習(xí)者的物理能力和學(xué)科核心素養(yǎng)。那么創(chuàng)新模型有什么特點(diǎn)，學(xué)習(xí)者需要具備什么樣的物理思維品質(zhì)和學(xué)科素養(yǎng)，是我們需要研究的問題。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新模型;思維品質(zhì);學(xué)科素養(yǎng);教學(xué)策略

第一部分：創(chuàng)新模型的特征和分類

1.熟悉模型的新挖掘

【例1】如圖1，小車的上面固定一個(gè)光滑彎曲圓管道，整個(gè)小車（含管道）的質(zhì)量為2m，原來靜止在光滑的水平面上。今有一個(gè)可以看做質(zhì)點(diǎn)的小球（質(zhì)量為m，半徑略小于管道半徑），以水平速度v從左端滑上小車，小球恰好到達(dá)管道的最高點(diǎn)，然后從管道右端滑離小車。設(shè)重力加速度為g，關(guān)于這個(gè)過程，下列說法正確的是（ ? ?）

A.小球滑離小車時(shí)，小車回到原來位置

B.小球滑離小車時(shí)小球的速度大小為

C.車上管道中心線最高點(diǎn)的豎直高度為

D.小球滑到最高點(diǎn)的過程中，小車的動(dòng)量變化量大小是

【解析】根據(jù)受力分析，系統(tǒng)水平方向動(dòng)量守恒，全程系統(tǒng)機(jī)械能守恒，由此可見小球全程為彈性碰撞，那么根據(jù)關(guān)系式 ， 得 ， ，代入數(shù)據(jù)得 ， ，那么選項(xiàng)B正確，但這與小球穿越管道后的情景是矛盾的，若穿越后車速向前，則球速也一定向前，且大于車速。其實(shí)動(dòng)碰靜的彈性碰撞還有一組解，那就是碰完后各自回到起始速度，即車的速度為 ，球的速度為 ，此解也符合前面的動(dòng)力學(xué)分析過程。

【總結(jié)】從穿越來看，此模型與熟悉的子彈打木塊類似，但是該過程無摩擦生熱;從碰撞來看，此模型與彈簧參與的彈性碰撞類似，但是該過程發(fā)生了穿越。這類模型的特點(diǎn)是命題者在常見模型下進(jìn)行了新的挖掘，讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知習(xí)慣的沖突，考察學(xué)生深層次多角度理解物理規(guī)律的能力。

2.多種熟悉模型的組合

【例2】（2019全國1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（）

【總結(jié)】利用彈簧振子將萬有引力與重力關(guān)系、豎直彈簧振子的對(duì)稱運(yùn)動(dòng)和變力做功（F-x面積為該力的功）加載到一個(gè)模型里面，僅僅只用一個(gè)函數(shù)圖進(jìn)行呈現(xiàn)，無實(shí)物情景圖。這種混合模型的變化組合角度是很多的，創(chuàng)新性較大，不僅需要學(xué)生對(duì)單個(gè)模型非常熟悉，還需要學(xué)生具備短時(shí)間內(nèi)剝離出每一個(gè)模型已知和未知的關(guān)系，從而簡化問題的能力。

3.打破常規(guī)完全創(chuàng)新的模型

【例3】如圖4，在兩個(gè)等量正點(diǎn)電荷連線的中垂線上，有a、b兩個(gè)點(diǎn)電荷繞O點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，且a、b與O始終在一條直線上。點(diǎn)電荷的重力不計(jì)，忽略a、b間的庫侖力，則a、b兩個(gè)點(diǎn)電荷的比荷之比為多少？

【解析】根據(jù)勻速圓周運(yùn)動(dòng)合力指向O點(diǎn)，則運(yùn)動(dòng)電荷必為負(fù)電荷，根據(jù)對(duì)稱，兩電荷的間距為2d，對(duì)a由牛頓第二定律有 ，角速度 相同，整理式子得 ;同理對(duì)b有 ，則a、b兩個(gè)點(diǎn)電荷的比荷之比為 。

【總結(jié)】等量同種電荷構(gòu)成的電場(chǎng)模型一般都限定于此平面內(nèi)的受力、運(yùn)動(dòng)和功能問題。此題出現(xiàn)了勻速圓周運(yùn)動(dòng)，屬于打破常規(guī)完全創(chuàng)新的模型，需要學(xué)生抓住問題的核心——?jiǎng)蛩賵A周運(yùn)動(dòng)合力提供向心力這個(gè)動(dòng)力學(xué)本質(zhì)，然后根據(jù)受力特征確定向心力，從而根據(jù)圓心位置逆向探索出運(yùn)動(dòng)學(xué)的空間立體結(jié)構(gòu)，需要學(xué)生有非常強(qiáng)的學(xué)科能力。

第二部分：培養(yǎng)學(xué)生正確的物理思維品質(zhì)和具體應(yīng)對(duì)策略

學(xué)生需要培養(yǎng)以下思維品質(zhì)：選出合適的研究對(duì)象，將對(duì)象抽象為質(zhì)點(diǎn)、桿、光線、一段波形、封閉系統(tǒng)等理想化模型;然后利用該模型相關(guān)的概念和規(guī)律去描述該對(duì)象所在的狀態(tài)和物理過程;最后選擇最合適的物理角度利用物理概念或者公式將問題與條件連接起來，此處需要學(xué)生多從數(shù)學(xué)角度探索背后的物理關(guān)聯(lián)。

針對(duì)以上三種創(chuàng)新模型的特征，教師可幫助學(xué)生掌握以下應(yīng)對(duì)策略。

1.遇到熟悉模型新挖掘，利用好熟悉模型的切入點(diǎn)，尋找與熟悉模型的差別，思考原有模型所對(duì)應(yīng)知識(shí)的局限性，從而尋找突破口。切莫把問題想象成一個(gè)徹底全新的模型，而丟棄熟悉的部分。

2.遇到組合模型，首先要抽離出研究對(duì)象，利用簡圖建立理想模型輔助思考，確定各個(gè)問題間的核心連接點(diǎn)，求解出核心物理量，選擇合適的物理狀態(tài)和物理過程然后各個(gè)擊破。

3.面對(duì)完全陌生的模型，一定要從熟悉的部分入手，利用簡圖輔助想象出完整的物理過程或者結(jié)構(gòu)，以問題為抓手，抽象出模型后，將其與常規(guī)模型進(jìn)行對(duì)比。切莫做無意義的展開和聯(lián)想，將問題泛化，從而脫離主旨。

物理學(xué)特征決定了物理思維品質(zhì)和應(yīng)對(duì)策略，教師需要在教授物理過程中堅(jiān)持培養(yǎng)學(xué)生具備這樣的品質(zhì)，養(yǎng)成正確的思維品質(zhì)是處理創(chuàng)新物理模型的基石。

參考文獻(xiàn)：

[1]《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)2020年修訂版》

[2]《更高更妙的物理》編著：楊榕楠 浙江大學(xué)出版社