挖掘高考試題內(nèi)涵 培養(yǎng)學生物理觀念

黃愛國

(華南師范大學附屬中學,廣東 廣州 510630)

2017年版普通高中物理課程標準提出的物理核心素養(yǎng)包含了物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度和責任．“物理觀念”是從物理學視角形成的關于物質(zhì)、運動與相互作用、能量等的基本認識;是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華;是從物理學視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎．通過高中階段的學習,學生初步具有現(xiàn)代物理的物質(zhì)觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念等,能用這些觀念描述自然界的圖景．學生經(jīng)過高一高二的物理學習對物理概念和物理規(guī)律有一定的認識,初步形成了水平層級較低的物理觀念．在高三的復習備考中挖掘高考試題內(nèi)涵,讓學生將掌握的物理概念和規(guī)律融會貫通,發(fā)展學生高水平層級物理觀念．

1 創(chuàng)設真實的問題情境,讓學生感受身邊的物理

人們對物理學的研究是起源于實際生活中對物體運動現(xiàn)象的研究．人們把觀察物體運動后總結出來的結論進行歸納整理,形成了早期的物理觀念．因此,物理離不開生活,生活離不開物理．高考試題有不少來源于生產(chǎn)生活的真實問題,注重理論聯(lián)系實際．通過這些真實的問題情境,讓學生感受身邊的物理．

例1.(2020年全國Ⅰ卷第14題)行駛中的汽車如果發(fā)生劇烈碰撞,車內(nèi)的安全氣囊會被彈出并瞬間充滿氣體．若碰撞后汽車的速度在很短時間內(nèi)減小為0,關于安全氣囊在此過程中的作用,下列說法正確的是

(A) 增加了司機單位面積的受力大小.

(B) 減少了碰撞前后司機動量的變化量.

(C) 將司機的動能全部轉換成汽車的動能.

(D) 延長了司機的受力時間并增大了司機的受力面積.

用安全氣囊真實問題考查學生相互作用的物理觀念;汽車發(fā)生劇烈碰撞時,彈開的安全氣囊的作用是增大相互作用的時間和面積,在速度變化相同的情況下,即動量改變量相同的條件下,可以減少相互作用力,保護司機的人身安全．學生通過這道題感受到身邊處處有物理,慢慢地養(yǎng)成用物理知識、物理觀念來解釋生活現(xiàn)象和解決實際問題的良好習慣．

2 融會貫通概念和規(guī)律,促進學生構建物理觀念

高考試題綜合性比較強,每一道試題要考查多個物理概念和規(guī)律．通過挖掘高考試題考查概念規(guī)律之間關聯(lián)和進階關系,可以讓學生融會貫通概念和規(guī)律,由知識網(wǎng)絡和進階關系構建物理觀念．

圖1

例2.(2019年全國1卷第15題)如圖1,空間存在一方向水平向右的勻強磁場,兩個帶電小球P和Q用相同的絕緣細繩懸掛在水平天花板下,兩細繩都恰好與天花板垂直,則

(A) P和Q都帶正電荷.

(B) P和Q都帶負電荷.

(C) P帶正電荷,Q帶負電荷.

(D) P帶負電荷,Q帶正電荷.

本題涉及的物理概念和規(guī)律有“點電荷”、“電荷相互作用”、“電場和電荷的相互作用”、“作用力和反作用力”、“物體的平衡”等．

概念和規(guī)律融會貫通的思維過程如圖2所示，其中P、Q電荷間相互作用用F12、F21表示，勻強電場對P、Q電荷作用力用F3，F(xiàn)4表示學生通過分析兩個點電荷之間多種相互作用及電荷在豎直方向上受力情況;然后綜合運用物理概念和規(guī)律解決這道題的過程就是將物理概念和規(guī)律在頭腦中提煉和升華的過程,是一個逐步構建相互作用觀念、提升物理觀念水平層級的過程．

圖2

3 試錯破解慣性和誤區(qū),促進學生修正物理觀念

在高一高二的物理學習過程中,部分學生常常因為生活經(jīng)驗的思維定勢,形成不清晰的甚至是錯誤的概念和規(guī)律,導致沒有形成正確的物理觀念．高三是學生高中學習的最后階段,在教學過程通過學生試錯暴露出問題,給予及時的糾正和正確的示范引導．讓學生糾正他們的錯誤認識,幫助他們建立正確的知識結構,修正物理觀念．

圖3

(A) 2mgR. (B) 4mgR.

(C) 5mgR. (D) 6mgR.

此題的綜合性較強,對學生的審題能力和思維能力的要求都比較高,學生做起來往往感覺比較困難．此題給的圖只是一個半成品,小球的運動過程不僅僅局限于軌道上,學生必須通過認真審題明確小球運動的全過程后才能正確求解．學生答題過程中大致的錯誤有如下3種情況．

錯法1:由于本題描述的運動過程不限于只在軌道運動的過程,很多學生按照慣性思維,未注意到“軌跡最高點”的含義．因此雖然理解了機械能的增量等于水平外力所做的功,但忽略了小球從c點飛出去后的運動過程中外力所做的功,只求了從a到c的過程水平外力所做的功,得出ΔE=3mgR或者直接認為只在水平軌道運動才受到水平外力,得出ΔE=2mgR.

錯法2:懂得機械能增量ΔE=F(3R+x),但是對分運動的等時性不清楚,因此無法求出水平位移x.

圖4

學生充分暴露出錯誤后,要求學生重新認真審題后畫出小球運動的完整軌跡,進行受力分析,明確求什么,然后再由功能關系或者機械能的定義找出待求的物理量,通過功能關系及力與運動一一破解．

正確解答:如圖4所示,作出小球運動軌跡的完整示意圖,設c點的速率為vc,飛出軌道后上升的高度為h,水平位移為x,最高點速率為vx．

通過學生試錯暴露出對物理概念和規(guī)律掌握得不夠準確,物理模型不夠清晰等．教師針對學生的思維慣性和認識誤區(qū)給予分析糾正,就能較好地促進學生修正物理觀念．

4 拓展試題情境和設問,促進學生發(fā)展物理觀念

在教學過程中,通過一題多變、一題多問、一題多解等方式來拓展問題情境,鍛煉學生靈活運用所學物理知識解決實際問題的能力,發(fā)展學生的思維水平．增加試題信息的廣度和深度,要求學生能夠從復雜情景中獲取信息,建立文字、圖像等不同信息呈現(xiàn)方式之間的聯(lián)系,從而構建正確的物理圖景,發(fā)展學生的物理觀念,使處于不同水平層級的學生都有發(fā)展的空間．

圖5

例4.(2019年全國Ⅱ卷第24題)如圖5,兩金屬板P、Q水平放置,間距為d．兩金屬板正中間有一水平放置的金屬網(wǎng)G,P、Q、G的尺寸相同．G接地,PQ的電勢均為φ(φ>0)．質(zhì)量為m,電荷量為q(q>0)的粒子自G的左端上方距離G為h的位置,以速度v0平行于紙面水平射入電場,重力忽略不計．

(1) 求粒子第1次穿過G時的動能,以及它從射入電場至此時在水平方向上的位移大小;

(2) 若粒子恰好從G的下方距離G也為h的位置離開電場,則金屬板的長度最短應為多少?

這兩問的思維難度并不高,主要是考察學生對帶電粒子在電場中的運動情況．由于設問簡單,帶電粒子在電場中多種運動情況還沒有涉及到．為了促進學生發(fā)展運動觀念,可以嘗試將本題的情境和設問進行拓展．

圖6

由于帶電粒子射出電場時的位置B點與A點y坐標相同,AB兩點的速度大小相等,可以求出A點的y坐標yA和y方向的速度vy．

利用上述各式可解得A的速度和位置坐標;然后再利用A、B兩點的速度和位置的關系求出B點的速度為

方向與水平方向夾角為

斜向上飛出電場,位置坐標為

圖7

學生從基本物理模型入手,試題的前兩問并不困難．兩個拓展問題對學生能力要求較高,學生只有熟練掌握相關知識和方法,具備較高水平的應用能力和創(chuàng)新能力,并且利用帶電粒子在兩個電場運動的周期性,通過類平拋基本模型的創(chuàng)新應用才能較好地解決問題．通過這樣拓展問題情景,讓學生更加清晰地把握帶電粒子在電場的運動情況,能較好的發(fā)展學生的運動觀念．

物理觀念劃分5個水平層級．從具有將物理學與實際相聯(lián)系的意識;形成初步的物理觀念;具有物理觀念;具有清晰的物理觀念;具有清晰、系統(tǒng)的物理觀念．學生物理觀念的形成和提升不能一蹴而就,需要在不同的學段采取不同的教學策略,讓學生物理觀念水平層級螺旋式的提升．在高三復習教學過程中,通過挖掘高考試題內(nèi)涵,使學生把物理概念和物理規(guī)律融會貫通,才能較好地發(fā)展學生高水平層級的物理觀念,在學生進入高校學習或工作中,從物理學的視角正確描述和解釋自然現(xiàn)象,靈活應用所學知識解決實際問題,為有效指導工作和生活實踐打下堅實基礎．