張保雷 田慧穎

(中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué)三亞學(xué)校)

2017年教育部考試中心提出“一核四層四翼”的概念,它是高考的“總指揮”,其中“四翼”回答了怎么考的高考基本問(wèn)題。“四翼”中的“綜合性”是指：高考試題要以多項(xiàng)活動(dòng)或多過(guò)程組成的復(fù)雜情境作為載體,考查對(duì)知識(shí)、能力、素養(yǎng)之間的深度整合與綜合運(yùn)用水平;“創(chuàng)新性”是指：高考試題的設(shè)問(wèn)方式、呈現(xiàn)方式要新穎,要求考生主動(dòng)思考勇于探索,要求考生能在有限時(shí)間內(nèi)從開放性、探究性的內(nèi)容中,發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題、尋找新規(guī)律、歸納新結(jié)論。高考評(píng)價(jià)體系的提出是適應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的需要,新高考要求考生能把學(xué)習(xí)到的物理知識(shí)、物理方法融入已有的知識(shí)體系,能遷移到新的問(wèn)題情境中,以解決問(wèn)題為導(dǎo)向,批判性地、創(chuàng)造性地解決綜合性、應(yīng)用性的新問(wèn)題。從思維的角度批判性地、創(chuàng)造性地解決問(wèn)題需要分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造等高階思維。但是高三備考時(shí),學(xué)生刷題,教師講題,很容易使高三備考停留在低階思維層次上,如若此老師忙,學(xué)生累,結(jié)果不理想。高三備考階段時(shí)間緊、任務(wù)重,發(fā)展學(xué)生的高階思維,作業(yè)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。好的作業(yè)是一把鑰匙,可以循序進(jìn)階學(xué)習(xí)知識(shí),培養(yǎng)能力的同時(shí),開啟思維的大門,撬動(dòng)高階思維發(fā)展。

氣體、液體統(tǒng)稱流體,流體不像固體一樣易于受力分析,易于選擇研究對(duì)象,流體的特殊性,使得一般高中生研究流體相關(guān)問(wèn)題時(shí),難以正確進(jìn)行模型建構(gòu),難以準(zhǔn)確進(jìn)行受力分析,流體相關(guān)力學(xué)問(wèn)題成為高中的難點(diǎn)問(wèn)題。本文以運(yùn)用動(dòng)量定理求解流體問(wèn)題為例,談?wù)劯呷齻淇己笃谥赶蚋唠A思維培養(yǎng)的高中物理專題作業(yè)設(shè)計(jì)的思考。

1 流轉(zhuǎn)固——建立模型

【作業(yè)1】如圖1所示,王老師用新購(gòu)買的高壓水槍洗車,設(shè)水槍噴出水柱直徑為D,水流速度為v,水柱垂直汽車表面,水柱沖擊汽車后水的速度近似為零,已知水的密度為ρ,求：

圖1

(1)高壓水槍單位時(shí)間噴出水的質(zhì)量;

(2)水柱對(duì)汽車的平均沖力的大小。

圖2

【點(diǎn)評(píng)】運(yùn)用動(dòng)量定理求解質(zhì)量一定的物體與其他物體的相互作用問(wèn)題比較簡(jiǎn)潔明了,其物理實(shí)質(zhì)與牛頓第二定律相同,流體的持續(xù)相互作用,研究對(duì)象的不確定,給解題帶來(lái)困難。處理此類問(wèn)題的一般方法：找對(duì)象,取Δt時(shí)間內(nèi)的流體作為研究對(duì)象;分析受力,確定研究對(duì)象在Δt時(shí)間內(nèi)的受力,求作用力的沖量;定狀態(tài),確定研究對(duì)象在Δt時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化,求動(dòng)量變化;列方程,運(yùn)用動(dòng)量定理列出研究對(duì)象在Δt時(shí)間內(nèi)的方程。取Δt時(shí)間內(nèi)的流體視為固體作為研究對(duì)象,即可把不熟悉的流體問(wèn)題轉(zhuǎn)化成熟悉的固體模型,熟練掌握此法利用動(dòng)量定理解答流體問(wèn)題就有了突破口。

本題水柱連續(xù)垂直沖擊固體,情境抽象相對(duì)簡(jiǎn)單,沒有沖力之外的力的干擾,本題作為動(dòng)量定理解答流體問(wèn)題的第一題,旨在讓學(xué)生學(xué)習(xí)或鞏固把流體建構(gòu)成柱體模型,掌握運(yùn)用動(dòng)量定理求解流體問(wèn)題的過(guò)程和基本方法。

2 類流體——遷移運(yùn)用

【作業(yè)2】太陽(yáng)帆航天器是一種利用太陽(yáng)光的壓力進(jìn)行太空飛行的航天器,如圖3所示,航天器在天空中張開太陽(yáng)帆,使太陽(yáng)光垂直射到太陽(yáng)帆上,太陽(yáng)帆板面積為S,太陽(yáng)光的反射率為100%,設(shè)航天器所在地單位面積每秒接收的光子數(shù)為n,每個(gè)光子動(dòng)量為p。航天器總質(zhì)量為m,求航天器的加速度。

圖3

【點(diǎn)評(píng)】把持續(xù)的光子流視為水柱,該題思路與作業(yè)1無(wú)異。把動(dòng)量定理求解連續(xù)流體的思路和方法,遷移到類似的情境,可鞏固學(xué)生習(xí)得的能力,提升學(xué)生的思維。

3 深層辨析——提升思維

【作業(yè)3】(2019·全國(guó)Ⅰ卷)最近,我國(guó)為“長(zhǎng)征九號(hào)”研制的大推力新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)試成功,這標(biāo)志著我國(guó)重型運(yùn)載火箭的研發(fā)取得突破性進(jìn)展。若某次實(shí)驗(yàn)中該發(fā)動(dòng)機(jī)向后噴射的氣體速度約為3 km/s,產(chǎn)生的推力為4.8×106N,則它在1 s時(shí)間內(nèi)噴射的氣體質(zhì)量約為 ( )

A.1.6×102kg B.1.6×103kg

C.1.6×105kg D.1.6×106kg

【答案】B

【作業(yè)4】在“作業(yè)3”的基礎(chǔ)上追問(wèn)：本題的動(dòng)量定理表達(dá)式中要不要計(jì)重力?在1 s時(shí)間內(nèi)重力對(duì)氣體起到了什么作用?

【提示】發(fā)動(dòng)機(jī)噴射出的氣體是連續(xù)體,運(yùn)用微元法可將1 s時(shí)間內(nèi)的噴射過(guò)程分解成無(wú)數(shù)個(gè)時(shí)間極短的噴射子過(guò)程,每個(gè)子過(guò)程重力和推力的沖量分別為ΔmgΔt、FΔt,其中推力F是宏觀作用力大于整個(gè)火箭的重力,子過(guò)程噴出氣體的重力Δmg是個(gè)微小量,相對(duì)推力完全可以忽略,對(duì)于火箭每個(gè)子過(guò)程,由動(dòng)量定理得FΔt=Δmv,對(duì)于全過(guò)程有∑FΔt=∑Δmv,得Ft=mv。對(duì)于全過(guò)程氣體的重力沖量明顯不是微小量,全過(guò)程氣體重力沖量起到了什么作用呢,噴出氣體與火箭作用發(fā)生在噴出瞬間,而全過(guò)程氣體重力沖量全過(guò)程持續(xù)作用,氣體離開火箭后受力變得復(fù)雜,如果忽略阻力作用,氣體離開火箭后會(huì)繼續(xù)加速,動(dòng)量增加,對(duì)于全過(guò)程氣體重力沖量改變噴出氣體的動(dòng)量,而非僅在噴出瞬間起作用。

【點(diǎn)評(píng)】“作業(yè)4”把問(wèn)題引向?qū)暧^過(guò)程和極限過(guò)程的思考,提升學(xué)生的極限思維和創(chuàng)造性思考問(wèn)題的意識(shí)和能力,進(jìn)一步提升學(xué)生的推理和分析能力,從學(xué)科素養(yǎng)的角度除了進(jìn)一步提升學(xué)生的物理觀念和科學(xué)思維外,問(wèn)題開放性的設(shè)置,無(wú)需計(jì)算固定結(jié)果,但是需要學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行深入思考,思考噴出氣體重力沖量的本質(zhì)功能,學(xué)生思考這樣的問(wèn)題,需要思維活躍,需要整合已有認(rèn)知,批判性、創(chuàng)造性地思考,高階思維能力即可隨之提升。

4 轉(zhuǎn)變領(lǐng)域——突破圍欄

【作業(yè)5】(2022·福建卷)(多選)我國(guó)霍爾推進(jìn)器技術(shù)世界領(lǐng)先,其簡(jiǎn)化的工作原理如圖4所示。放電通道兩端電極間存在一加速電場(chǎng),該區(qū)域內(nèi)有一與電場(chǎng)近似垂直的約束磁場(chǎng)(未畫出)用于提高工作物質(zhì)被電離的比例。工作時(shí),工作物質(zhì)氙氣進(jìn)入放電通道后被電離為氙離子,再經(jīng)電場(chǎng)加速噴出,形成推力。某次測(cè)試中,氙氣被電離的比例為95%,氙離子噴射速度為1.6×104m/s,推進(jìn)器產(chǎn)生的推力為80 mN。已知氙離子的比荷為7.3×105C/kg;計(jì)算時(shí),取氙離子的初速度為零,忽略磁場(chǎng)對(duì)離子的作用力及粒子之間的相互作用,則 ( )

圖4

A.氙離子的加速電壓約為175 V

B.氙離子的加速電壓約為700 V

C.氙離子向外噴射形成的電流約為37 A

D.每秒進(jìn)入放電通道的氙氣質(zhì)量約為5.3×10-6kg

【答案】AD

【點(diǎn)評(píng)】正當(dāng)學(xué)生以為已經(jīng)深入掌握了利用動(dòng)量定理解答流體問(wèn)題的方法與內(nèi)涵時(shí),又把問(wèn)題引向看似與動(dòng)量定理、流體沒有聯(lián)系的帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的情境。當(dāng)學(xué)生體會(huì)大量連續(xù)的電子與水流類似,電場(chǎng)力與重力類似,解決問(wèn)題的本質(zhì)方法是相同的時(shí)候,再次開闊了學(xué)生的眼界,拓展了學(xué)習(xí)的廣度和關(guān)聯(lián)度,深化了學(xué)習(xí)的深度,再次提升學(xué)生的思維能力。

5 結(jié)束語(yǔ)