基于情境創(chuàng)設(shè) 立足模型建構(gòu) 彰顯科學(xué)思維

摘 要：文章對(duì)2022年江蘇高考一道物理選擇題進(jìn)行剖析，通過(guò)試題解構(gòu)、模型建構(gòu)、溯本追源解決問(wèn)題，領(lǐng)略高考對(duì)關(guān)鍵能力的考查，欣賞高考題的魅力和美，引導(dǎo)教師在教學(xué)中注重培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維，提高學(xué)生物理素養(yǎng)以及欣賞物理美的能力.

關(guān)鍵詞：情境創(chuàng)設(shè)；模型建構(gòu)；科學(xué)思維

中圖分類(lèi)號(hào)：G632"" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"" 文章編號(hào)：1008-0333（2024）19-0102-03

高考物理試題對(duì)高中物理教學(xué)具有極強(qiáng)的示范導(dǎo)向作用.其中，科學(xué)思維能力是考查的主要方向之一，注重通過(guò)靈活解決問(wèn)題檢驗(yàn)學(xué)生科學(xué)思維.分析2022年江蘇高考一道物理選擇題，“情境+建?！背蔀橹饕厣?，試題設(shè)計(jì)鮮明，體現(xiàn)“源于教材、高于教材”的命題理念.本文對(duì)該題進(jìn)行剖析，探究通過(guò)解構(gòu)問(wèn)題、建構(gòu)模型解決問(wèn)題，以期對(duì)高中物理教學(xué)有所啟示.

1 試題呈現(xiàn)

（2022·江蘇高考）如圖1所示，輕質(zhì)彈簧一端固定，另一端與物塊A連接在一起，處于壓縮狀態(tài)，A由靜止釋放后沿斜面向上運(yùn)動(dòng)到最大位移時(shí)，立即將物塊B輕放在A右側(cè)，A、B由靜止開(kāi)始一起沿斜面向下運(yùn)動(dòng)，下滑過(guò)程中A、B始終不分離，當(dāng)A回到初始位置時(shí)速度為零，A、B與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)相同、彈簧未超過(guò)彈性限度，則（" ）.

A.當(dāng)上滑到最大位移的一半時(shí)，A的加速度方向沿斜面向下

B.A上滑時(shí)，彈簧的彈力方向不發(fā)生變化

C.下滑時(shí)，B對(duì)A的壓力先減小后增大

D.整個(gè)過(guò)程中A、B克服摩擦力所做的總功大于B的重力勢(shì)能減小量

圖1 斜面A、B物體運(yùn)動(dòng)

2 試題解析

2.1 試題命制思路與特點(diǎn)

（1）突出價(jià)值導(dǎo)向，注重考查核心素養(yǎng)，注重解決真實(shí)問(wèn)題，為考生搭建展示能力與素養(yǎng)的平臺(tái).

（2）突出建模思想，試題通過(guò)情境設(shè)置，將“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、力的分配協(xié)議”等高中重要模型融為一體.

（3）滲透科學(xué)思維，高效解決問(wèn)題需要對(duì)題目進(jìn)行科學(xué)分析、問(wèn)題解構(gòu)，以期在頭腦中建構(gòu)準(zhǔn)確的物理圖景.

試題旨在考查學(xué)生解構(gòu)問(wèn)題、建構(gòu)圖景、靈活解決問(wèn)題的能力.

2.2 試題解構(gòu)

（1）A、B由靜止開(kāi)始一起沿斜面向下運(yùn)動(dòng)，下滑過(guò)程中A、B始終不分離.說(shuō)明彈簧全程被壓縮，選項(xiàng)B正確.

（2）A單獨(dú)上滑的過(guò)程等效于簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，故上滑到最大位移一半的位置為平衡位置，加速度為0.選項(xiàng)A錯(cuò)誤.

（3）A、B下滑過(guò)程中，由于與斜面的動(dòng)摩擦因數(shù)相同，如果沒(méi)有彈簧，A、B之間沒(méi)有作用力.A、B之間作用力來(lái)源于彈簧對(duì)A的彈力.滿(mǎn)足力的分配協(xié)議，有FA對(duì)B=mBmA+mB·F彈，選項(xiàng)C錯(cuò)誤.

（4）根據(jù)動(dòng)能定理，由于始末速度為0，A、B系統(tǒng)克服摩擦力做的功等于B的重力勢(shì)能的減少量，選項(xiàng)D錯(cuò)誤.

A、C選項(xiàng)的設(shè)置使試題的難度及品質(zhì)明顯提升.究其實(shí)質(zhì)，能否通過(guò)題干判別物體A沿斜面上升的全過(guò)程中，彈簧皆處于壓縮狀態(tài)是解決問(wèn)題的前提，識(shí)別、建構(gòu)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)與滿(mǎn)足力的分配協(xié)議是成功的關(guān)鍵.

運(yùn)用常規(guī)解法，在高考有限時(shí)長(zhǎng)中，幾乎是不可能完成的任務(wù)，但如果對(duì)問(wèn)題解構(gòu)，進(jìn)行模型建構(gòu)，則問(wèn)題解決簡(jiǎn)潔明了，這正是高考題的魅力與迷人之處.

3 溯本追源

3.1 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)

人教版高中物理選擇性必修一第二章第3節(jié)“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的回復(fù)力和能量”中指出：物體做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)表達(dá)式為F=-kx.

在課后“做一做”中，設(shè)置問(wèn)題情境.

解析 令向下為“+”，小球靜止時(shí)，mg=kh.將小球在彈簧彈性限度內(nèi)向下拉離平衡位置x，松開(kāi)手，分析小球受力有F=-k（x+h）+mg=-kx，故小球?qū)⒆龊?jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，式中k是彈簧的勁度系數(shù).

拓展1 如圖2，如果輕彈簧一端固定置于光滑斜面上端，另一端系住小球且處于平衡狀態(tài)，在彈簧彈性限度內(nèi)將小球沿斜面向下拉開(kāi)一段距離，松開(kāi)手，小球?qū)⒆龊?jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)[1].圖2 斜面彈簧振子

拓展2 如果輕彈簧一端固定置于粗糙程度相同的斜面上端，另一端系住小球且處于平衡狀態(tài)，現(xiàn)在在彈簧彈性限度內(nèi)將小球沿斜面向下拉開(kāi)一段距離，松開(kāi)手，在小球上行的過(guò)程中，小球運(yùn)動(dòng)為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的單向部分.

3.2 力的分配協(xié)議

物理原型：如圖3，質(zhì)量分別為mA、mB的A、B兩物塊用輕線連接，放在傾角為θ的斜面上，用始終平行于斜面向上的拉力F拉A，使它們沿斜面勻加速上升，A、B與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)均為μ.試分析輕線上的張力[2].

解析 令輕線的張力為FT，對(duì)A、B整體分析：F-（mA+mB）gsinθ-μ（mA+mB）gcosθ

=（mA+mB）a

得：a=F（mA+mB）-gsinθ-μgcosθ

分析B：FT-mBgsinθ-μmBgcosθ=mBa

得：FT=mBmA+mB·F.可知FT大小與θ、μ無(wú)關(guān)，mB越大，mA越小，F(xiàn)T越大.

此“協(xié)議”與有無(wú)摩擦無(wú)關(guān)（若有摩擦，兩物體與接觸面的動(dòng)摩擦因數(shù)必須相同）；與有無(wú)斜面傾角無(wú)關(guān)；與兩物體間有無(wú)連接物、何種連接物（輕繩、輕桿、輕彈簧）無(wú)關(guān).

4 培基固本

4.1 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)

如圖4，粗細(xì)均勻的一條木筷，下端繞幾圈鐵絲，豎直浮在較大的筒中.把木筷往上提起一段距離后放手，木筷在水中上下振動(dòng)，試證明其是否為簡(jiǎn)諧振動(dòng).圖4 豎直浮在水中的木筷

解析 令水的密度ρ，木筷的橫截面積為S，靜止時(shí)浸入水中深度為h0，則mg=ρgSh0.

設(shè)木筷離開(kāi)平衡位置位移為x，方向豎直向下，此時(shí)木筷受合力為F=mg-ρgS（h0+x）=-kx.

故：木筷在水中上下做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，且k=ρgS（由木筷本身和液體共同決定）.

4.2 力的分配協(xié)議

如圖5，F(xiàn)1與F2分別作用在水平放置的1、2兩物體上且方向相反，如果F1gt;F2且整體向左加速運(yùn)動(dòng)，試分析1、2兩個(gè)物體之間的作用力大小.

解析 （1）如果地面光滑，整體分析有a=

F1-F2m1+m2，方向向左；

分析2物體有a=T-F2m2，解得T=m2F1+m1F2（m1+m2）.

（2）如果地面粗糙且動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，整體分析有

a=F1-F2-μ（m1+m2）g（m1+m2），

分析2物體有，

a=T-F2-μm2gm2，

解得T=m2F1+m1F2（m1+m2）.

5 教學(xué)啟示

來(lái)源于“真實(shí)”的高考題注重考查學(xué)生解決問(wèn)題的能力，而問(wèn)題解構(gòu)、模型建構(gòu)與應(yīng)用，則是解決問(wèn)題的必由之路.這啟示我們?cè)谖锢斫虒W(xué)中，應(yīng)重視模型建構(gòu)教學(xué)、重視教材和重視解構(gòu)問(wèn)題.

5.1 重視模型建構(gòu)教學(xué)

“厚積而薄發(fā)”，學(xué)生欲提升解決問(wèn)題的能力，順利通過(guò)物理高考，在平常的教與學(xué)過(guò)程中，要注重模型建構(gòu).教師為學(xué)生提供真實(shí)、鮮活的原始問(wèn)題，繼而有針對(duì)性地引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問(wèn)題簡(jiǎn)化、純化，建構(gòu)模型，尋找復(fù)雜事物后面隱藏的簡(jiǎn)潔的物理規(guī)律.

5.2 以本為本，重視教材

高考試題命制遵循“源于教材、高于教材、理在教材”的原則，因此，教學(xué)中應(yīng)立足教材，充分運(yùn)用教材資源，一定要回歸課本，做到章節(jié)過(guò)關(guān)、知識(shí)點(diǎn)過(guò)關(guān)，重視課本中的例題與課后問(wèn)題與練習(xí)，注意解題規(guī)范，應(yīng)反復(fù)研讀課本，加深對(duì)概念、規(guī)律的理解、掌握及應(yīng)用.

5.3 認(rèn)真讀題，解構(gòu)問(wèn)題

基于情境命制的物理試題，過(guò)程看似復(fù)雜，其實(shí)可以解構(gòu)為若干單對(duì)象、單過(guò)程事件，將“復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化”，實(shí)現(xiàn)“文字?jǐn)⑹觥锢硎录獢?shù)理解決”方向的轉(zhuǎn)化.

6 結(jié)束語(yǔ)

物理是鮮活與美的！紛繁復(fù)雜的物理現(xiàn)象后面隱藏著簡(jiǎn)潔的物理規(guī)律，對(duì)問(wèn)題認(rèn)識(shí)越深刻，得到的規(guī)律越簡(jiǎn)潔.

作為教師，我們應(yīng)該基于對(duì)“物理”的透徹理解，以更高的站位、更廣的視域研究問(wèn)題，通過(guò)解構(gòu)問(wèn)題、模型建構(gòu)、數(shù)圖結(jié)合簡(jiǎn)潔解決問(wèn)題.

參考文獻(xiàn)：

［1］ 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.普通高中教科書(shū)：物理選擇性必修第一冊(cè)［M］.北京：人民教育出版社，2020：42-45.

[2] 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.普通高中教科書(shū)：物理選擇性必修第一冊(cè)［M］.北京：人民教育出版社，2020：101-102.

［責(zé)任編輯：李 璟］