楊衛(wèi)嬋
(杭州師范大學附屬中學,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)學科在生產(chǎn)和高科技中的重要作用,該試題關(guān)注學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)揮了育人的導向作用.下面就對該試題進行分析,從解決問題的基本思路去分析如何合理建構(gòu)物理模型,以達到提升學生核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展的目的.
原題.(10分)艦載機電磁彈射是現(xiàn)在航母最先進的彈射技術(shù),我國在這一領(lǐng)域已達到世界先進水平.某興趣小組開展電磁彈射系統(tǒng)的設(shè)計研究,如圖1所示,用于推動模型飛機的動子(圖中未畫出)與線圈絕緣并固定,線圈帶動動子,可在水平導軌上無摩擦滑動.線圈位于導軌間的輻向磁場中,其所在處的磁感應(yīng)強度大小均為B.開關(guān)S與1接通,恒流源與線圈連接,動子從靜止開始推動飛機加速,飛機達到起飛速度時與動子脫離;此時S擲向2接通定值電阻R0,同時施加回撤力F,在F和磁場力作用下,動子恰好返回初始位置停下.若動子從靜止開始至返回過程的v t圖如圖2所示,在t1至t3時間內(nèi)F=(800-10v)N,t3時撤去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,動子和線圈的總質(zhì)量m=5kg,模型飛機質(zhì)量M=10kg,R0=9.5Ω,B=0.1T,不計空氣阻力和飛機起飛對動子運動速度的影響,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,考查了學生對牛頓運動定律、閉合電路歐姆定律、電磁感應(yīng)定律、安培力、動量定理等基本知識的綜合應(yīng)用.突出了物理思想和物理建模能力的考查.該題學生存在的思維障礙主要有:(1)研究對象不清楚,學生在分析電路時,需要運用轉(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)生動生電動勢,題目中設(shè)計了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)學生熟悉的v-t圖像,對運動與力進行分析,明確線圈和動子的運動過程以及受力情況,這就要求學生具備運動和相互作用的物理觀念;(3)不會選擇合適的規(guī)律解決問題,求解動子和線圈的運動時間,學生不知道如何去應(yīng)用牛頓運動定律、動量定理、動能定理三大規(guī)律解決實際問題.
解析:根據(jù)學生存在的障礙,我們可以設(shè)計以下思路進行分析求解.
(1)分析電源.
N匝線圈切割磁感線,充當電源,這里需要將空間的立體的線圈看成是二維的導線切割,整個線圈切割磁感線,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,勻減速直線運動.由于安培力和運動的速度有關(guān),外力和安培力的合力應(yīng)該是一個定值,和物理的速度沒有關(guān)系.因此:
(5)選擇合適的規(guī)律解決實際問題.
第3問求解t3,對于該問,學生往往不能準確、清晰地分析物理過程,以及不清楚選擇哪個規(guī)律解決該問題.對于t3時刻的求解,我們可以先從t3時刻開始分析物理過程,線圈做加速度減小的減速運動,是一個非勻變速的運動過程,利用牛頓運動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,而動量定理中安培力對時間的累積出現(xiàn)了電荷量,因此從動量角度分析運動位移比較方便求解,題干中出現(xiàn)了位移相等的信息.t3時刻到線圈停止過程中,根據(jù)動量定理得-nBlIΔt=-mv.
在教學過程中,對于電磁感應(yīng)類的教學,我們可以設(shè)計以下五步法進行分析求解.如圖3.
圖3 解決電磁感應(yīng)類問題的基本思路
模型建構(gòu)是將實際問題抽象、簡化為模型,然后用數(shù)學符號或公式、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測現(xiàn)象的科學思維能力的科學實踐活動.[1]在物理學中,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)常采用的一種科學研究方法,[2]它是學生獲取知識的一種途徑,更是培養(yǎng)學生創(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)恒力和變力進行討論,這里我們用重力提供恒定外力進行討論,其建模過程見表1.
表1
根據(jù)學生在學習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,在教學過程中我們需要關(guān)注以下幾點.
(1)重視物理觀念開展教學.
教師在教學過程中注重引導學生物理概念、物理規(guī)律的建構(gòu)過程,學生在學習過程中經(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、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應(yīng)用.
(2)注重學生數(shù)形結(jié)合能力的培養(yǎng).
在物理學中,物理量之間的關(guān)系一般用一些數(shù)學關(guān)系聯(lián)系起來,也可以利用圖像來呈現(xiàn).數(shù)形結(jié)合時涉及物理思維的轉(zhuǎn)化以及物理規(guī)律的應(yīng)用,是學生思維的一個難點,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,關(guān)注知識的運用與科學技術(shù)、社會生活的聯(lián)系.
物理試題往往依托于真實情境,考查學生的落腳點不僅僅是公式的應(yīng)用,同時指向?qū)W生運用物理規(guī)律解決實際的問題.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)學科,它與社會、經(jīng)濟、科技、生產(chǎn)實際密切聯(lián)系,教學過程中要注重融入體育、科技、生產(chǎn)實際等真實情境.
(4)注重科學建模.
學生在情境化、去情境化和再情境化知識的時候,往往缺少有效的抓手,如果在學習過程中,學生能從基本模型建構(gòu)入手,在新的情境中準確的運用,學生的物理學習也將逐步走出題海,真正回歸核心素養(yǎng)的落地.
總之,教師在教學過程中要注重基礎(chǔ)知識的落實,加強對學生科學建模能力的培養(yǎng),進而提升學生的學科核心素養(yǎng),我想學生也就具備了終身發(fā)展的能力,達到了物理學科育人的目標.