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        建構(gòu)物理模型 提升學(xué)科核心素養(yǎng)
        ——以2022年6月浙江省高考題第21題為例

        2022-11-03 09:41:28楊衛(wèi)嬋
        物理教師 2022年9期
        關(guān)鍵詞:建構(gòu)物理情境

        楊衛(wèi)嬋

        (杭州師范大學(xué)附屬中學(xué),浙江 杭州 310030)

        2022年6月浙江省物理高考題第21題取材以我國航母電磁彈射技術(shù)的發(fā)展為背景,將物理與生產(chǎn)實(shí)踐和我國科技發(fā)展緊密聯(lián)系起來,充分體現(xiàn)了物理作為基礎(chǔ)學(xué)科在生產(chǎn)和高科技中的重要作用,該試題關(guān)注學(xué)生建模和解決問題能力的考查,體現(xiàn)了高考的選拔功能,發(fā)揮了育人的導(dǎo)向作用.下面就對該試題進(jìn)行分析,從解決問題的基本思路去分析如何合理建構(gòu)物理模型,以達(dá)到提升學(xué)生核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展的目的.

        1 原題呈現(xiàn)及試題評析

        原題.(10分)艦載機(jī)電磁彈射是現(xiàn)在航母最先進(jìn)的彈射技術(shù),我國在這一領(lǐng)域已達(dá)到世界先進(jìn)水平.某興趣小組開展電磁彈射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究,如圖1所示,用于推動(dòng)模型飛機(jī)的動(dòng)子(圖中未畫出)與線圈絕緣并固定,線圈帶動(dòng)動(dòng)子,可在水平導(dǎo)軌上無摩擦滑動(dòng).線圈位于導(dǎo)軌間的輻向磁場中,其所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B.開關(guān)S與1接通,恒流源與線圈連接,動(dòng)子從靜止開始推動(dòng)飛機(jī)加速,飛機(jī)達(dá)到起飛速度時(shí)與動(dòng)子脫離;此時(shí)S擲向2接通定值電阻R0,同時(shí)施加回撤力F,在F和磁場力作用下,動(dòng)子恰好返回初始位置停下.若動(dòng)子從靜止開始至返回過程的v t圖如圖2所示,在t1至t3時(shí)間內(nèi)F=(800-10v)N,t3時(shí)撤去F.已知起飛速度v1=80m/s,t1=1.5s,線圈匝數(shù)n=100匝,每匝周長l=1m,動(dòng)子和線圈的總質(zhì)量m=5kg,模型飛機(jī)質(zhì)量M=10kg,R0=9.5Ω,B=0.1T,不計(jì)空氣阻力和飛機(jī)起飛對動(dòng)子運(yùn)動(dòng)速度的影響,求

        圖1

        圖2

        (1)恒流源的電流I;(2)線圈電阻R;(3)時(shí)刻t3.

        評析:該試題以我國航母電磁彈射技術(shù)的發(fā)展為背景,考查了學(xué)生對牛頓運(yùn)動(dòng)定律、閉合電路歐姆定律、電磁感應(yīng)定律、安培力、動(dòng)量定理等基本知識(shí)的綜合應(yīng)用.突出了物理思想和物理建模能力的考查.該題學(xué)生存在的思維障礙主要有:(1)研究對象不清楚,學(xué)生在分析電路時(shí),需要運(yùn)用轉(zhuǎn)化方法將線圈空間立體問題轉(zhuǎn)化為平面問題,圓環(huán)切割輻射性磁場,產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢,題目中設(shè)計(jì)了N匝線圈,等效電源應(yīng)該是N匝線圈的圓周長切割的結(jié)果.分析受力,也應(yīng)該是N匝線圈所受的安培力的合力,這就要求學(xué)生具備獲取關(guān)鍵信息并構(gòu)建模型的能力;(2)過程分析不清楚,根據(jù)學(xué)生熟悉的v-t圖像,對運(yùn)動(dòng)與力進(jìn)行分析,明確線圈和動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)過程以及受力情況,這就要求學(xué)生具備運(yùn)動(dòng)和相互作用的物理觀念;(3)不會(huì)選擇合適的規(guī)律解決問題,求解動(dòng)子和線圈的運(yùn)動(dòng)時(shí)間,學(xué)生不知道如何去應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)量定理、動(dòng)能定理三大規(guī)律解決實(shí)際問題.

        解析:根據(jù)學(xué)生存在的障礙,我們可以設(shè)計(jì)以下思路進(jìn)行分析求解.

        (1)分析電源.

        N匝線圈切割磁感線,充當(dāng)電源,這里需要將空間的立體的線圈看成是二維的導(dǎo)線切割,整個(gè)線圈切割磁感線,而不是等效直徑切割.根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律E=nBlv.

        (2)分析電路.

        在t1~t2時(shí)間內(nèi),線圈和轉(zhuǎn)子在向左的安培力以及外力作用下,勻減速直線運(yùn)動(dòng).由于安培力和運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān),外力和安培力的合力應(yīng)該是一個(gè)定值,和物理的速度沒有關(guān)系.因此:

        (5)選擇合適的規(guī)律解決實(shí)際問題.

        第3問求解t3,對于該問,學(xué)生往往不能準(zhǔn)確、清晰地分析物理過程,以及不清楚選擇哪個(gè)規(guī)律解決該問題.對于t3時(shí)刻的求解,我們可以先從t3時(shí)刻開始分析物理過程,線圈做加速度減小的減速運(yùn)動(dòng),是一個(gè)非勻變速的運(yùn)動(dòng)過程,利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律求解存在一定的困難.從能量的角度,安培力作為變力,對空間的累積無法求解,而動(dòng)量定理中安培力對時(shí)間的累積出現(xiàn)了電荷量,因此從動(dòng)量角度分析運(yùn)動(dòng)位移比較方便求解,題干中出現(xiàn)了位移相等的信息.t3時(shí)刻到線圈停止過程中,根據(jù)動(dòng)量定理得-nBlIΔt=-mv.

        2 電磁感應(yīng)類問題解決的基本思路

        在教學(xué)過程中,對于電磁感應(yīng)類的教學(xué),我們可以設(shè)計(jì)以下五步法進(jìn)行分析求解.如圖3.

        圖3 解決電磁感應(yīng)類問題的基本思路

        2.1 模型建構(gòu)

        模型建構(gòu)是將實(shí)際問題抽象、簡化為模型,然后用數(shù)學(xué)符號(hào)或公式、圖形、圖像或圖表加以表征的過程.物理建模就是依據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)材料,對一類問題構(gòu)建問題本質(zhì)圖景,并用物理模型解釋和預(yù)測現(xiàn)象的科學(xué)思維能力的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng).[1]在物理學(xué)中,突出問題的主要方面,忽略問題的次要方面,建立起“物理模型”是我們經(jīng)常采用的一種科學(xué)研究方法,[2]它是學(xué)生獲取知識(shí)的一種途徑,更是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的有效途徑.面對千變?nèi)f化的新穎的物理試題,尤其是物理選考的壓軸題,其實(shí)就是最基本模型的衍生.浙江省2022年6月份的第21題,就是以“桿軌”為載體的含阻模型的衍生.根據(jù)以上提供的五步分析法的基本思路,構(gòu)建“桿軌”為載體的含阻模型即在受到外力情況下的模型,外力我們根據(jù)恒力和變力進(jìn)行討論,這里我們用重力提供恒定外力進(jìn)行討論,其建模過程見表1.

        表1

        2.2 思考和啟示

        根據(jù)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在的思維障礙,從解決問題的基本思路去分析建構(gòu)物理模型,在教學(xué)過程中我們需要關(guān)注以下幾點(diǎn).

        (1)重視物理觀念開展教學(xué).

        教師在教學(xué)過程中注重引導(dǎo)學(xué)生物理概念、物理規(guī)律的建構(gòu)過程,學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中經(jīng)歷理解、應(yīng)用、遷移創(chuàng)新的過程,在腦海中逐漸形成自己的知識(shí)框架,而不是簡單的死記硬背套公式,逐步形成物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應(yīng)用.

        (2)注重學(xué)生數(shù)形結(jié)合能力的培養(yǎng).

        在物理學(xué)中,物理量之間的關(guān)系一般用一些數(shù)學(xué)關(guān)系聯(lián)系起來,也可以利用圖像來呈現(xiàn).數(shù)形結(jié)合時(shí)涉及物理思維的轉(zhuǎn)化以及物理規(guī)律的應(yīng)用,是學(xué)生思維的一個(gè)難點(diǎn),2022年高考題就考查了數(shù)形結(jié)合的應(yīng)用.

        (3)重視物理情境的創(chuàng)設(shè)開展教學(xué),關(guān)注知識(shí)的運(yùn)用與科學(xué)技術(shù)、社會(huì)生活的聯(lián)系.

        物理試題往往依托于真實(shí)情境,考查學(xué)生的落腳點(diǎn)不僅僅是公式的應(yīng)用,同時(shí)指向?qū)W生運(yùn)用物理規(guī)律解決實(shí)際的問題.2022年高考題就是以我國003 航母福建艦為背景,這也反映了物理作為一門基礎(chǔ)學(xué)科,它與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、科技、生產(chǎn)實(shí)際密切聯(lián)系,教學(xué)過程中要注重融入體育、科技、生產(chǎn)實(shí)際等真實(shí)情境.

        (4)注重科學(xué)建模.

        學(xué)生在情境化、去情境化和再情境化知識(shí)的時(shí)候,往往缺少有效的抓手,如果在學(xué)習(xí)過程中,學(xué)生能從基本模型建構(gòu)入手,在新的情境中準(zhǔn)確的運(yùn)用,學(xué)生的物理學(xué)習(xí)也將逐步走出題海,真正回歸核心素養(yǎng)的落地.

        總之,教師在教學(xué)過程中要注重基礎(chǔ)知識(shí)的落實(shí),加強(qiáng)對學(xué)生科學(xué)建模能力的培養(yǎng),進(jìn)而提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng),我想學(xué)生也就具備了終身發(fā)展的能力,達(dá)到了物理學(xué)科育人的目標(biāo).

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