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        建構(gòu)物理模型 突破思維瓶頸①
        ——2021年安徽省中考物理試卷第23題評析

        2022-09-05 03:45:38楊培軍
        物理之友 2022年7期
        關(guān)鍵詞:建構(gòu)物理模型

        王 正 楊培軍

        (1. 阜陽師范大學(xué)附屬中學(xué),阜陽 236000;2. 安徽省阜陽市教育局,安徽 阜陽 236000)

        1 原題呈現(xiàn)

        例1:(2021年安徽中考物理卷第23題)研究物理問題時,常需要突出研究對象的主要因素,忽略次要因素,將其簡化為物理模型。

        (1) 如圖1甲所示,一質(zhì)量分布均勻的杠桿,忽略厚度和寬度,長度不可忽略,用細線將它從中點懸起,能在水平位置平衡。將它繞懸點在豎直面內(nèi)緩慢轉(zhuǎn)過一定角度后(圖1乙)釋放,為研究其能否平衡,可將它看成等長的兩部分,請在圖乙中畫出這兩部分各自所受重力的示意圖和力臂,并用杠桿平衡條件證明杠桿在該位置仍能平衡;

        (2) 如圖1丙所示,一質(zhì)量分布均勻的長方形木板,忽略厚度,長度和寬度不可忽略,用細線將它從AB邊的中點懸起,能在水平位置平衡。將它繞懸點在豎直面內(nèi)緩慢轉(zhuǎn)過一定角度后(圖1丁)釋放,木板在該位置能否平衡?寫出你的判斷依據(jù)。

        圖1

        2 試題評析

        本題是2021年安徽中考物理卷的最后一題,主要考查學(xué)生綜合運用杠桿平衡條件等知識解決復(fù)雜物理問題的能力。本題的第(1)問難度相對較小,結(jié)合數(shù)學(xué)知識容易做出證明。如果杠桿的質(zhì)量分布均勻,那么,原來水平平衡的杠桿繞懸點在豎直面內(nèi)緩慢轉(zhuǎn)過一定角度后,依然滿足杠桿平衡條件,旋轉(zhuǎn)后杠桿仍平衡。相比而言,本題的第(2)問的難度較大,如果沿圖1丙中過懸掛點的豎直線將質(zhì)量分布均勻的長方形木板分割成兩部分,將兩者所受的重力分別作為杠桿的動力和阻力,需要考生有判斷長方形木板旋轉(zhuǎn)之后是否仍然滿足杠桿平衡條件的能力,這種思路也是一種常規(guī)的解題思路,需要考生具有較強的邏輯推理能力。如果采用創(chuàng)新思維方法,將長方形木板作為整體考慮,原來木板在水平方向上平衡時,吊繩對木板的拉力和木板所受重力是一對平衡力,當木板繞懸掛點逆時針旋轉(zhuǎn)一個小的角度之后,木板整體的重心將在豎直懸線的右側(cè),木板肯定不會平衡,會繞懸掛點按順時針方向旋轉(zhuǎn)。這道題考查學(xué)生的物理模型建構(gòu)能力,因此對提高學(xué)生核心素養(yǎng)起到積極的導(dǎo)向作用。

        2.1 注重物理觀念的形成

        《義務(wù)教育物理課程標準(2022年版)》指出:物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運動和相互作用、能量等內(nèi)容的總體認識,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)象和解決實際問題的基礎(chǔ)。就“杠桿”的教學(xué)而言,要求學(xué)生在理解杠桿相關(guān)概念和平衡條件后,對遇到的跟杠桿相關(guān)的實際問題能夠運用內(nèi)化的知識進行解決。習(xí)題中的杠桿一般都是看成輕質(zhì)長桿,在兩端施加拉力,然后進行分析計算。該題第(1)問直接對杠桿自身進行分析,考查學(xué)生對重心和力臂的理解,然后利用杠桿平衡條件證明杠桿在該位置仍能平衡。該題如果問:杠桿是否平衡?有的學(xué)生會因為對杠桿平衡理解有誤而認為不平衡。第(2)問深入考查學(xué)生對杠桿模型的認知,需要深度理解杠桿及杠桿平衡狀態(tài)的概念,并內(nèi)化為物理觀念,認識到木板也可以看成是杠桿。

        2.2 注重科學(xué)思維方法的滲透

        《義務(wù)教育物理課程標準(2022年版)》指出:科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認識方式;是建構(gòu)物理模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運用;是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同信息、觀點和結(jié)論進行質(zhì)疑和批判,予以檢驗和修正,進而提出創(chuàng)造性見解的品格與能力。本題對于科學(xué)思維的考查主要體現(xiàn)在模型建構(gòu)和科學(xué)推理方面,題目首先明確給出了物理模型的定義,然后引導(dǎo)學(xué)生從線狀物體到面狀物體建構(gòu)模型,滲透了物理模型建構(gòu)的思想方法。題目的證明過程體現(xiàn)了科學(xué)推理的內(nèi)涵,其關(guān)鍵是學(xué)生能否找到動力、阻力及支點,進一步設(shè)想其旋轉(zhuǎn)后出現(xiàn)的變化,建構(gòu)動態(tài)模型,運用整體法和隔離法,結(jié)合杠桿平衡條件和二力平衡條件進行推理論證。

        3 原題溯源

        試題公布后,很多老師聯(lián)想到分胡蘿卜問題,以2011年廣州中考題第25題為例進行分析。

        例2:(2011年廣州中考題第25題)如圖2所示,用細線拴住一端粗、一端細的實心胡蘿卜并懸掛起來,靜止后胡蘿卜的軸線水平。在拴線處沿豎直方向?qū)⒑}卜切成A、B兩段。A、B哪段重些呢?甲、乙、丙三個同學(xué)提出了各自的猜想:甲:A較重;乙:B較重;丙:A、B一樣重。

        圖2

        (1) 請設(shè)計一個簡易實驗,判斷A、B的輕重。

        所用器材:操作方法:現(xiàn)象及結(jié)論:

        (2) 為進一步研究類似A、B輕重的問題,某同學(xué)在一根有等間距刻度的均勻杠桿兩側(cè)掛上每個質(zhì)量都相等的鉤碼進行實驗。杠桿靜止于水平狀態(tài)的三次實驗情境如圖3所示。

        圖3

        ① 據(jù)圖3的實驗,可以判斷(填“甲”“乙”或“丙”)同學(xué)的猜想是正確的。

        ② 根據(jù)圖3的實驗,該同學(xué)得出結(jié)論:只要滿足“阻力×阻力作用點到支點的距離=動力×動力作用點到支點的距離”,杠桿就能平衡。

        a. 這個結(jié)論是否正確?

        b. 用圖4所示的裝置,怎樣通過實驗來說明該結(jié)論是否正確。

        圖4

        兩題相似之處在于都要將生活實物建構(gòu)為杠桿模型,廣州中考題是在實驗的基礎(chǔ)上確定哪段重后,在第(2)問中直接給出了建構(gòu)的模型,表面上是以實驗為基礎(chǔ),但學(xué)生如果沒有見過這類問題,則需要確定胡蘿卜的重心、建立杠桿模型,然后運用杠桿平衡條件才能判斷。

        4 學(xué)生的思維障礙

        學(xué)生對于2021年安徽中考物理卷的最后一題,考后感到很迷惑,感覺難度大,無從下手。但老師卻認為此類問題練習(xí)過,比較簡單。通過與部分學(xué)生交流及閱卷情況來看,原因主要在于:杠桿模型對大部分學(xué)生來說比較抽象,雖然涉及的知識比較單一,但學(xué)生對杠桿力臂和杠桿平衡條件的理解停留在表層上,對一些問題理解不清,如力的方向如何確定?為什么要引入力臂?有的學(xué)生會將杠桿平衡與二力平衡相混淆等。本題解決的關(guān)鍵點是動力和阻力的確定,部分學(xué)生把杠桿支點兩邊的重心畫在兩端,而且力臂作圖不規(guī)范,導(dǎo)致無法用數(shù)學(xué)知識解決問題。一些學(xué)生解答第(2)問時,無法構(gòu)建動態(tài)的物理模型,導(dǎo)致受第(1)問傾斜平衡的干擾,認為第(2)問傾斜后也會平衡,最后無法證明。

        5 中考試題對教學(xué)的啟示

        5.1 注重概念建構(gòu)的教學(xué)

        在建構(gòu)物理概念、探究物理規(guī)律的過程中,一些教師認為概念教學(xué)沒意思,書本上已經(jīng)給出,讓學(xué)生讀幾遍就可以了,探究實驗浪費時間,從而老師講實驗、學(xué)生背規(guī)律,但這種教學(xué)過程是“速成”的,是教師以“簡捷”的方式告知的,學(xué)生只是知道這個物理詞語,不能轉(zhuǎn)化為內(nèi)在的物理觀念,無法在遇到實際問題時自覺地與物理觀念相聯(lián)系。教學(xué)中教師要熟悉物理概念的“前世今生”,例如對于杠桿,要思考為什么要引入力臂概念?通過大量生活實例,讓學(xué)生總結(jié)共同的特征,從而得出杠桿的定義,然后讓學(xué)生根據(jù)定義再列舉生活實例,讓學(xué)生在實際問題的解決中,意識到這是杠桿問題。

        5.2 注重學(xué)生想象力的培養(yǎng)

        物理想象能力主要是指對客觀事物的空間形式進行觀察、分析、抽象思考和創(chuàng)新的能力。有些學(xué)生的學(xué)習(xí)以刷題為主,作業(yè)任務(wù)重,學(xué)生缺乏生活常識和對實際生活中問題的思考,想象力較差。在教學(xué)中要激發(fā)學(xué)生的思維,培養(yǎng)學(xué)生的想象力。例如在學(xué)習(xí)速度知識后,提出:如果我們站在地球上最高的山上,用力扔石頭,石頭會落在什么位置?如果力氣足夠大,石頭速度足夠快,石頭會怎么樣運動?在學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)現(xiàn)象時,如何理解切割磁感線?讓學(xué)生發(fā)揮空間想象力,利用地方特色“格拉條”的制作過程,激發(fā)學(xué)生興趣,進行模擬,幫助學(xué)生理解磁感線的切割。讓學(xué)生建立文字和物理情境之間的聯(lián)系,切實培養(yǎng)他們的想象力。

        5.3 注重物理模型建構(gòu)的教學(xué)

        許多物理問題源自生活,分析和解決物理問題就是從真實的情境中抽象、建構(gòu)物理模型,把復(fù)雜的現(xiàn)象簡單化、模型化。學(xué)生在審題過程中有時弄不清題目的意思,無法針對研究對象或過程建構(gòu)物理模型,從而無從下手。在物理教學(xué)中,從原始問題到模型構(gòu)建的分析過程往往被忽略,而過于注重模型建構(gòu)后的概念演繹、規(guī)律呈現(xiàn)和結(jié)論推導(dǎo)。因此,在教學(xué)中教師需要借助教材中的實例,例如:光線、磁感線、勻速直線運動、理想電流表和電壓表等,培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)物理模型的能力,然后運用相關(guān)的規(guī)律解決問題,這樣就不會出現(xiàn)平時做過類似的題目,如果靈活變化后就感到困惑的情況。

        綜上所述,物理課堂教學(xué)不是教閱讀理解、說文解字,而是通過真實情境和實驗探究啟發(fā)學(xué)生,引導(dǎo)學(xué)生積極思考,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力,使他們學(xué)會建構(gòu)物理模型,在面對實際問題時有意識地運用物理觀念和思維方法去分析、解決問題。物理課堂應(yīng)該成為學(xué)生啟智潤心的陣地,教師眼里不能只有分數(shù),為了學(xué)生的全面發(fā)展,培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力,這樣的物理教學(xué)才更有意義。

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