變換無窮蘊素養(yǎng) 動量定理用處多
——從浙江省選考談高三物理復習課中核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

曾毓斌

浙江省新昌中學，浙江 紹興 312500

高中物理核心素養(yǎng)的基本內(nèi)涵主要包括物理觀念的建立，科學思維的養(yǎng)成，實驗探究真理的方式，遵循科學的態(tài)度與責任[1-2]。2015年浙江省實行新高考以來，到2019年4月，物理選考已經(jīng)實行了8次。根據(jù)對這8次物理選考真題的分析，筆者發(fā)現(xiàn)，在電磁感應綜合問題的考查中，含安培力的動量定理考了6次，可見含安培力的動量定理考的頻率非常高。動量定理幾乎次次必考，而含安培力的動量定理也是動量定理考查中的重中之重，可以說物理選考中對動量定理的考查基本都是以含安培力的形式放在加試綜合題中，綜合性較強，靈活性較高，難度較大。從顯性角度的考查來看，這一部分綜合題主要考查學生對含安培力的動量定理的靈活應用；從隱形角度的考查來看，含安培力的動量定理主要考查學生高中物理核心素養(yǎng)的幾個關(guān)鍵要素，集中體現(xiàn)了對物理觀念、科學思維、科學探究等核心素養(yǎng)的考查。

筆者在文中主要討論含安培力的動量定理在電磁感應綜合問題中的巧妙應用，以幫助學生對含安培力的動量定理有一個更全面的總結(jié)，幫助廣大高中物理教師提高對含安培力的動量定理在電磁感應綜合問題中靈活應用的認識。

1選考與素養(yǎng)——浙江省物理選考中含安培力的動量定理與高中物理核心素養(yǎng)

1.1 高中物理核心素養(yǎng)

由北京師范大學林崇德教授領(lǐng)銜，華南師范大學、河南大學、山東師范大學、遼寧師范大學共同承擔的《我國基礎教育和高等教育階段學生核心素養(yǎng)總體框架研究項目》研究成果中，提出了“學生發(fā)展核心素養(yǎng)體系”的總框架。其中，高中物理核心素養(yǎng)的基本內(nèi)涵主要包含四個維度：物理觀念的建立，科學思維的養(yǎng)成，科學探究真理的方式，遵循科學的態(tài)度與責任，具體見表1。

表1 高中物理核心素養(yǎng)體系

高中物理教學應綜合反映人類在探索自然規(guī)律過程中取得的成果，以提高學生科學素養(yǎng)為目標。在高三物理復習教學中不僅要注重科學知識的傳授和技能的訓練，更要注重對學生物理觀念、科學思維、科學探究以及科學態(tài)度、科學精神等核心素養(yǎng)各方面的培養(yǎng)。

1.2 浙江省物理選考中含動量定理考點的核心素養(yǎng)的考查

從2015年10月到2019年4月，浙江省物理選考總共進行了8次，其中有6次考查了動量定理；考查的方式為與電磁感應類問題相結(jié)合，涉及安培力的沖量；難點在于對安培力沖量的變形，具體分析見表2。

表2 近四年浙江省物理選考對含安培力的動量定理的考查

這一類型的綜合題以基本知識點為載體，主要關(guān)注學生對各部分知識點的靈活運用，考查學生對物理過程的分析能力，考查學生處理問題的思維能力，即考查學生高中物理核心素養(yǎng)的核心內(nèi)涵——科學思維中的模型構(gòu)建和科學推理以及科學探究中的問題、證據(jù)與解釋。

2素養(yǎng)培養(yǎng)一角——通過對含安培力的動量定理靈活變形來培養(yǎng)學生的物理核心素養(yǎng)

從分析上看，含安培力的動量定理對學生核心素養(yǎng)的考查主要體現(xiàn)在對安培力的沖量BILΔt這一表達式的變形。安培力的沖量BILΔt主要有兩種變形：（1）BILΔt結(jié)合 q=IΔt變形為 BLq 來求電荷量，或者已知電荷量求速度，并進而求能量等；（2）BILΔt結(jié)合 E=BLv 和變形為來巧求變加速運動中的位移。

這兩種變形對應三種巧妙應用，分析如下：

（1）安培力的沖量BILΔt變形為BLq巧求電荷量

含安培力的動量定理簡單表達式：BILΔt=mv-mv0， 結(jié)合表達式 q=IΔt可變形為：BLq=mvmv0，這一表達式可以巧求電量，也可以根據(jù)電量巧求能量。

例1（2015年10月浙江省普通高校招生選考科目考試物理試題加試題22題)如圖1所示，質(zhì)量m＝3.0×10－3kg的“ ”型金屬細框豎直放置在兩水銀槽中，“ ”型框的水平細桿CD長l＝0.20 m，處于磁感應強度大小 B1＝1.0 T、方向水平向右的勻強磁場中。有一匝數(shù)n＝300匝、面積S＝0.01 m2的線圈通過開關(guān)K與兩水銀槽相連。線圈處于與線圈平面垂直的、沿豎直方向的勻強磁場中，其磁感應強度B2的大小隨時間t變化的關(guān)系如圖2所示。

圖1 例1題目示意圖

圖2 B-t曲線

（1）（2）略。

（3）t＝0.22 s時閉合開關(guān) K，若安培力遠大于重力，細框跳起的最大高度h＝0.20 m，求通過細桿CD的電荷量。

解析由動量定理 FΔt＝mv－0

安培力F＝IB1l

ΔQ＝IΔt

v2＝2gh

由含安培力的動量定理巧妙地將安培力中的電流和時間進行了組合，從而求出某段時間內(nèi)流過導體的電荷量。

（2）安培力的沖量 BILΔt變形為 BLq，巧求運動過程中的速度

含安培力的動量定理變形表達式：BLq=mvmv0，這一表達式通過電量巧求運動過程中的速度，進而可以根據(jù)能量守恒定律求焦耳熱。

圖3 例2題目示意圖

例2（2016年4月浙江省普通高校招生選考科目考試物理試題加試題23題）某同學設計了一個電磁推動加噴氣推動的火箭發(fā)射裝置，如圖3所示。豎直固定在絕緣底座上的兩根長直光滑導軌，間距為L。導軌間加有垂直導軌平面向里的勻強磁場B。絕緣火箭支撐在導軌間，總質(zhì)量為m，其中燃料質(zhì)量為m′，燃料室中的金屬棒EF電阻為R，并通過電刷與電阻可忽略的導軌良好接觸。

引燃火箭下方的推進劑，迅速推動剛性金屬棒CD(電阻可忽略且和導軌接觸良好)向上運動，當回路CEFDC面積減少量達到最大值ΔS，用時Δt，此過程激勵出強電流，產(chǎn)生電磁推力加速火箭。在Δt時間內(nèi)，電阻R產(chǎn)生的焦耳熱使燃料燃燒形成高溫高壓氣體。當燃燒室下方的可控噴氣孔打開后，噴出燃氣進一步加速火箭。

（1）（3）略。

（2）經(jīng)Δt時間火箭恰好脫離導軌。求火箭脫離時的速度v0。(不計空氣阻力)

解析由動量定理得（BIL-mg）Δt=mv0

含安培力的動量定理：BILΔt=mv-mv0，結(jié)合和E=BLv可變形為：Δ t=mv-mv0，根據(jù)這一表達式中的vΔt，再結(jié)合微元求和的思想可以巧求變速運動中的位移。

例3（改編）如圖4所示，兩根足夠長的光滑金屬導軌G1、G2放置在傾角為α的斜面上，導軌間距為l，電阻不計。在導軌上端并聯(lián)接入兩個電阻均為R的小燈泡。整個系統(tǒng)置于勻強磁場中，磁感應強度方向與導軌所在平面垂直，磁感應強度大小為B。現(xiàn)將一質(zhì)量為m、電阻可以忽略的金屬棒MN從圖示位置由靜止開始釋放，經(jīng)過時間t0，兩燈泡開始并保持正常發(fā)光。金屬棒下落過程中保持與導軌垂直，且與導軌接觸良好。重力加速度為g。求：

（1）燈泡正常發(fā)光時，導體棒運動的速率；

（2）在 t＝0 至 t＝t0期間，導體棒運動的距離。

圖4 例3題目示意圖

解析（1）設燈泡額定電流為I0

流經(jīng)MN的電流I＝2I0

當兩燈泡正常發(fā)光時，金屬棒勻速下滑。mgsinα＝2BI0l

金屬棒切割磁感線產(chǎn)生的電動勢為

（2）在 t＝0 至 t＝t0期間，對棒運用動量定理，有(mgsinα－iBl)Δt＝mΔv

3素養(yǎng)培養(yǎng)思考——含安培力的動量定理變形對高三物理復習課中核心素養(yǎng)培養(yǎng)的啟示

2019年4月以后，浙江省物理選考與學考實行了分卷考試，物理選考單獨一張試卷，時間90分鐘。這意味著今后浙江省物理選考綜合性將更強，對動量定理等知識點綜合運用的考查將更加深、更加復雜，對物理核心素養(yǎng)的考查將更加全面、要求將更高。筆者通過對前三年浙江省新高考物理選考含安培力的動量定理的考查特點進行分析，并結(jié)合自身對高中物理核心素養(yǎng)的理解，提出了以下幾條在高三復習中培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)的措施：

（1）對物理概念和規(guī)律進行復習時引導學生進行多方面、多角度的理解，以提高學生的科學推理能力

（2）在高三物理復習過程中，注意引導學生的問題意識、證據(jù)意識，開發(fā)學生的科學探究能力

高三物理復習過程中，引導學生對物理概念和物理規(guī)律進行質(zhì)疑，從而達到深層次的觀察和思考；將概念和物理規(guī)律中的物理量用其他具有等量關(guān)系的物理量進行替換，實現(xiàn)概念和規(guī)律的蛻變，從而提高學生的科學探究能力，這是在物理概念和規(guī)律自身內(nèi)容上進行思維發(fā)散；再將發(fā)散后的規(guī)律應用到真實的物理情境中引導學生去體驗，去建模，去提出質(zhì)疑，這樣可以發(fā)散學生的思維、培養(yǎng)學生物理概念和規(guī)律探究的好奇心，同時也可以培養(yǎng)學生獨立分析問題、獨立解決問題的能力。這樣的復習方法對高中物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)能提供豐厚的土壤。

（3）對物理復習中的典型題目進行多角度改編，引導學生對問題進行科學探究

高中物理核心素養(yǎng)中科學探究所包含的問題、證據(jù)、解釋、交流等四個方面相輔相成。復習課中對學生科學探究這一核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，應該以問題為主導，引導學生用問題驅(qū)動去尋找證據(jù)來培養(yǎng)學生的證據(jù)意識，培養(yǎng)學生基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋的科學探究過程。為了達到這一核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，對一些典型題目如高考題進行多角度改編，引導學生對問題進行科學探究是一個非常好的措施。

4總結(jié)

2015年至2019年4月浙江新高考物理選考題目具有非常強的綜合性，對物理核心素養(yǎng)的考查更是重中之重，相信在今后物理選考分卷考試中更是如此。另外，物理概念和規(guī)律復習是高三物理復習過程的重要環(huán)節(jié)，通過研究新高考，借助對物理概念和規(guī)律的“變”，滲透一題多解，并對典型問題進行多角度改編，多方面設問，能夠讓學生對看似不同類型的問題進行整合，進而做到靈活運用物理知識；一題多解和高考變式兩個物理復習策略能很好地避免題海戰(zhàn)術(shù)，還能很好地提高學生的學習效率，提高學生邏輯思維的準確性和靈活性，增強學生邏輯思維的深刻性，在“變”中落實對高中生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標。