高考試題中物理模型的抽象與還原辦法的初探

◎ 楊國富

物理模型的應(yīng)用不僅對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)各學(xué)科有很大的幫助，還能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的自我檢測(cè)，提高自身的邏輯思維能力。每一年的高考試題雖然常出現(xiàn)新的題型，但是其實(shí)質(zhì)知識(shí)點(diǎn)都具有重復(fù)性，且試題中都包含物理模型。因此，學(xué)習(xí)、掌握、應(yīng)用物理模型，促進(jìn)學(xué)生思考、理解知識(shí)，對(duì)學(xué)生掌握物理學(xué)科知識(shí)起著至關(guān)重要的作用。

一、物理模型的分類

模型是知識(shí)與實(shí)物的有機(jī)組合，物理模型可以用實(shí)物、公式等形式來體現(xiàn)，主要目的是解釋原型物質(zhì)的變化規(guī)律。對(duì)于物理模型的分類，已經(jīng)有了很多的討論定義，本文針對(duì)高中物理模型分類：物質(zhì)類、狀態(tài)類和過程類。

物質(zhì)模型包括實(shí)體和場(chǎng)物質(zhì)，比如質(zhì)點(diǎn)和彈性小球等是實(shí)體物質(zhì)；密繞螺線管、平行板電容器等為場(chǎng)物質(zhì)；理想氣體和光學(xué)中的介質(zhì)等都屬于物質(zhì)模型。

狀態(tài)模型包括流體的穩(wěn)恒流動(dòng)狀態(tài)、氣體的平衡態(tài)、原子所處的基態(tài)等。

過程模型包括質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過程中的勻速運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)等；氣體狀態(tài)中的等壓、等溫等；物理量均勻變化的過程以及非均勻變化的過程。

模型的建立都是基于一定的條件和使用范圍的，學(xué)生在學(xué)習(xí)和應(yīng)用物理模型時(shí)，首先要清楚物理模型的使用條件，再根據(jù)實(shí)際情況加以利用。近些年的高考物理命題多次出現(xiàn)實(shí)際問題抽象化，要求學(xué)生將抽象化模型還原為基礎(chǔ)模型；還有一部分考題是由實(shí)際問題構(gòu)建抽象化模型，反復(fù)檢測(cè)學(xué)生對(duì)物理模型抽象、還原的思維能力。

二、物理模型命題思路以及解題思路

根據(jù)對(duì)近幾年高考試題的分析，物理命題大量運(yùn)用了模型與實(shí)際、基礎(chǔ)知識(shí)與思維邏輯相結(jié)合的思路，在題型中多以實(shí)際材料為背景，學(xué)生大多只看到表面信息，沒有具體分析，抓住重點(diǎn)。因此在面對(duì)常規(guī)問題，無法利用知識(shí)結(jié)構(gòu)解決時(shí)，就可以利用建構(gòu)模型思想，轉(zhuǎn)換思維，尋找問題的規(guī)律，求出正確結(jié)果。

在對(duì)應(yīng)的物理題中，都會(huì)對(duì)應(yīng)物理模型，命題思路是把一個(gè)以上的物理模型運(yùn)用在特定條件中形成問題，通常在高考命題中包含多個(gè)復(fù)雜條件，形成情景題，以此檢測(cè)學(xué)生的審題能力、模型建立能力以及思維分析能力。

物理模型作為解題方法，是對(duì)命題思路的反推過程。首先，分析問題，建立模型，從題目中提煉模型信息；其次，分析題目條件，模型建立后，將其放在題目制定條件中，形成空間立體模型分析構(gòu)架；最后，按照建造的模型找出規(guī)律，解決對(duì)應(yīng)問題。由此可見，模型方法是一個(gè)由復(fù)雜到簡(jiǎn)單的解題過程。

根據(jù)對(duì)近幾年高考物理試題的分析，總結(jié)其命題特點(diǎn)如下：首先，以基礎(chǔ)知識(shí)為主，如質(zhì)點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)等；其次，題型創(chuàng)新性強(qiáng)，題目靈活多變，以實(shí)際情況為背景，結(jié)合概念與規(guī)律進(jìn)行命題；再次，注重命題分析，著重強(qiáng)調(diào)模型使用，根據(jù)目前的物理命題形式，解題過程必須采取模型建立的模式反推或者直推，促使學(xué)生結(jié)合實(shí)際進(jìn)行思考，多角度、多思維轉(zhuǎn)換，進(jìn)而解決問題。

例如：如圖1，從離水平地面高為H的A點(diǎn)以速度v0斜向上拋出一個(gè)質(zhì)量為m的石塊，已知v0與水平方向的夾角為θ，不計(jì)空氣阻力，求：

圖1 機(jī)械能守恒定律示意圖

(1)石塊所能達(dá)到的最大高度。

(2)石塊落地時(shí)的速度。

模型解析：本題研究拋體運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械能守恒定律。斜拋運(yùn)動(dòng)的水平分運(yùn)動(dòng)是勻速直線運(yùn)動(dòng)，因此石塊在最高點(diǎn)的速度是拋出初速度的水平分量。石塊只受重力的作用，機(jī)械能守恒。

答案解析：石塊拋出后在空中運(yùn)動(dòng)過程中，只受重力作用，機(jī)械能守恒，作出石塊的運(yùn)動(dòng)示意圖。

(1)設(shè)石塊在運(yùn)動(dòng)的最高點(diǎn)B處與拋出點(diǎn)A的豎直高度差為h，水平速度為vB，

則vB=vOx=v0cosθ

石塊從A到B，根據(jù)機(jī)械能守恒定律ΔEk減=ΔEp增

(2)取地面為參考平面，對(duì)石塊從拋出點(diǎn)A至落地點(diǎn)C的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程應(yīng)用機(jī)械能守恒定律得

三、高中學(xué)生的模型認(rèn)知

新課標(biāo)中，物理模型已被列入課程大綱，但是在高中學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用過程中仍然存在一些問題，大多數(shù)學(xué)生都能夠意識(shí)到模型的價(jià)值，但只是有模糊的定義，不清楚模型的實(shí)質(zhì)。學(xué)習(xí)課程例題時(shí)，對(duì)物理建模很清晰，一旦遇到新的物理情景，就不會(huì)使用建模的思路，只能生搬硬套，無法實(shí)現(xiàn)真正意義上的運(yùn)用。要么是學(xué)生的邏輯思維轉(zhuǎn)換能力差，無法轉(zhuǎn)換抽象事物，要么是教師對(duì)建模缺乏理解，沒有做到專業(yè)化教學(xué)。大致原因如下：分析問題時(shí)只看表象不抓本質(zhì)；基礎(chǔ)物理知識(shí)掌握不牢；空間思維差，模型建造無法具象化；沒有掌握模型分析的技巧，分析過程不完整。

四、物理模型在高中物理題中的應(yīng)用

大多數(shù)學(xué)生清楚模型對(duì)物理學(xué)科的學(xué)習(xí)有益，但在實(shí)際應(yīng)用中卻無法順利建構(gòu)模型，建模過程模糊、套用固定模型的方式大有人在。想要解決這一問題，教師首先就要培養(yǎng)學(xué)生的建構(gòu)模型意識(shí)，使其掌握建模的方法，實(shí)現(xiàn)模型的實(shí)際運(yùn)用。從情景中還原物理模型，從抽象模型中找到正確的物理規(guī)律，兩者相輔相成，互相轉(zhuǎn)換，對(duì)學(xué)生的思維培養(yǎng)效果更佳。高中物理題按照模型方法區(qū)分有兩大類。

(1)條件清楚，模型模糊。這類問題主要是進(jìn)行文字分析，而非直接應(yīng)用公式，理解條件定義，進(jìn)行模型建構(gòu)，具體分析問題的本質(zhì)要求，抽象出模型，找到其物理規(guī)律，解決問題。

(2)模型清晰，條件模糊。這類問題屬于復(fù)雜型難題，需要根據(jù)題目建立模型，然后找出動(dòng)態(tài)物理情景，之后分析條件、情景、模型原理、物理規(guī)律以及問題要求，多方結(jié)合后，找到具體解決辦法。另外，物理題型不僅根據(jù)課本教材進(jìn)行命題，隨著實(shí)用型命題在這幾年高考中多次出現(xiàn)，對(duì)于這一類型題，學(xué)生要有針對(duì)性地學(xué)習(xí)和運(yùn)用：首先要認(rèn)真分析題意，提取有用的信息；其次要根據(jù)復(fù)雜條件進(jìn)行本質(zhì)簡(jiǎn)化，抽象建模，找到解題思路。這一實(shí)用型命題的應(yīng)用對(duì)學(xué)生的知識(shí)遷移能力進(jìn)行了考查，也增強(qiáng)了學(xué)生的抽象思維能力。

高考物理題中的最后大題歷來是拉開學(xué)生高考分?jǐn)?shù)差距的壓軸題目，題目難度高，表面信息復(fù)雜且量大，涉及的知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合。一般壓軸題中的命題都會(huì)包含生活實(shí)踐、物理實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)代科學(xué)等背景，同時(shí)進(jìn)行命題創(chuàng)新，使條件、過程都與問題背景相關(guān)聯(lián)，學(xué)生需要進(jìn)行大量的過程分析，不斷地進(jìn)行模型建構(gòu)，否則無法發(fā)現(xiàn)隱藏在題目中的物理模型。因此，解決這類綜合性壓軸難題需要綜合分析，建立合適的模型，找出物理現(xiàn)象、規(guī)律以及本質(zhì)，才能找到壓軸題的解決關(guān)鍵。

五、總結(jié)

綜上所述，物理模型貫穿學(xué)生的整個(gè)高中物理學(xué)習(xí)過程。為了培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，以及各學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)能力，在物理教學(xué)中，教師要加強(qiáng)對(duì)物理模型學(xué)習(xí)方法的研究，針對(duì)模型統(tǒng)計(jì)分析以及模型法解決問題等方面，加大課程滲透力度，使學(xué)生自覺思考，形成空間邏輯思維，提高利用物理模型分析問題的能力。