經(jīng)典試題對(duì)物理核心素養(yǎng)考查的方法與啟示
——以2013年全國(guó)1卷壓軸題為例

蔣金團(tuán)

(云南省保山市施甸縣第一中學(xué) 678200)

在這個(gè)科學(xué)技術(shù)日新月異的時(shí)代，知識(shí)量成倍增長(zhǎng)，學(xué)科交叉日益繁雜，只有“博而精”的人才才能適應(yīng)科技快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，在未來世界占有一席之地，但任何人都不可能在學(xué)校里學(xué)完所有知識(shí).因此在學(xué)校教育中，特別是學(xué)科教學(xué)中，必須優(yōu)先選擇那些有利于終身發(fā)展的基本的知識(shí)作為培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的載體.

物理學(xué)科的核心素養(yǎng)主要有物理觀念與應(yīng)用、科學(xué)思維與創(chuàng)新、科學(xué)探究與思維、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面.

物理觀念與應(yīng)用:從物理學(xué)角度形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí)，是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉和升華.“物理觀念“包括物質(zhì)觀,運(yùn)動(dòng)觀、相互作用觀、動(dòng)量觀、能量觀等要素.

科學(xué)思維與創(chuàng)新:從物理學(xué)角度對(duì)客觀世界的本質(zhì)屬性、客觀規(guī)律及相互聯(lián)系的認(rèn)識(shí)方式, 是基于事實(shí)建構(gòu)理想模型的概括過程，是分析綜合、邏輯推理等物理思維方法的內(nèi)化，是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)和邏輯推理對(duì)不同觀點(diǎn)提出質(zhì)疑批判，進(jìn)而提出創(chuàng)造性觀點(diǎn)的能力與品質(zhì).“科學(xué)思維”主要包括科學(xué)推理、科學(xué)論證，質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.

科學(xué)探究與思維:提出物理問題,形成猜想和假設(shè),獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋,以及對(duì)實(shí)驗(yàn)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力.

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:對(duì)科學(xué)研究應(yīng)要遵循實(shí)事求是的態(tài)度，通過物理教學(xué)必須讓學(xué)生深刻領(lǐng)悟到物理學(xué)發(fā)展過程中表現(xiàn)出來的尊重事實(shí)、實(shí)事求是的科學(xué)探究態(tài)度，并能在工作和學(xué)習(xí)中堅(jiān)持做到實(shí)事求是.

一、試題解答過程中涉及的物理核心

如圖1所示，兩條平行導(dǎo)軌所在平面與水平地面的夾角為θ，間距為L(zhǎng).導(dǎo)軌上端接有一平行板電容器，電容為C.導(dǎo)軌處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向垂直于導(dǎo)軌平面.在導(dǎo)軌上放置一質(zhì)量為m的金屬棒，棒可沿導(dǎo)軌下滑，且在下滑過程中保持與導(dǎo)軌垂直并良好接觸.已知金屬棒與導(dǎo)軌之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，重力加速度大小為g.忽略所有電阻.讓金屬棒從導(dǎo)軌上端由靜止開始下滑，求：

(1)電容器極板上積累的電荷量與金屬棒速度大小的關(guān)系；

(2)金屬棒的速度大小隨時(shí)間變化的關(guān)系

解法一運(yùn)用微元法求解

(1)設(shè)金屬棒下滑的速度大小為v，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E=BLv①

平行板電容器兩極板之間的電勢(shì)差為U=E②

設(shè)此時(shí)電容器極板上積累的電荷量為Q，按定義有

聯(lián)立①②③式得Q=CBLv④

(2)設(shè)金屬棒的速度大小為v時(shí)經(jīng)歷的時(shí)間為t，通過金屬棒的電流為i，金屬棒受到的磁場(chǎng)的作用力方向沿導(dǎo)軌向上，大小為f1=BLi⑤

ΔQ也是平行板電容器極板在時(shí)間間隔(t,t+Δt)內(nèi)增加的電荷量,由④式得ΔQ=CBLΔv⑦

式中，Δv為金屬棒的速度變化量.按定義是

金屬棒所受到的摩擦力方向斜向上，大小為

f2=μFN⑨

式中，F(xiàn)N是金屬棒對(duì)于導(dǎo)軌的正壓力的大小，有

FN=mgcosθ⑩

金屬棒在時(shí)刻t的加速度方向沿斜面向下，根據(jù)牛頓第二定律有mgsinθ-f1-f2=ma

解法二運(yùn)用能量守恒定律求解

(1)第一問同解法一.

(2)先用面積法推導(dǎo)一下電容器的電場(chǎng)能公式.

電源給電容器的充電過程可以等效為將電荷逐個(gè)從原本中性的兩極板中的一個(gè)極板移到另一個(gè)極板的過程，在移動(dòng)過程中克服電場(chǎng)力做功，電源的電能轉(zhuǎn)化為電容器的電場(chǎng)能.實(shí)驗(yàn)表明：電容器兩極板間的電壓與電容器所帶電量關(guān)系如圖2所示.

設(shè)金屬棒下滑的距離為X時(shí)，其速度為v，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，電動(dòng)勢(shì)E=BLv

此時(shí)電容器儲(chǔ)存的電場(chǎng)能

導(dǎo)體棒下滑時(shí)，減少的重力勢(shì)能一部分 轉(zhuǎn)化為摩擦生熱，一部份轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，還有一部分轉(zhuǎn)化為電容器的電場(chǎng)能，由能量守恒定律得

把該式和勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律v2=2ax比較可知

所以t時(shí)刻金屬棒的速度大小為

解法三運(yùn)用動(dòng)量觀點(diǎn)求解

(1)第一問同解法一.

(2)設(shè)金屬棒的速度大小為v時(shí)經(jīng)歷的時(shí)間為t，

感應(yīng)電荷量q=CU=CBLv

對(duì)導(dǎo)體棒列動(dòng)量定理：

mgsinθt-μmgcosθt-I安=mv

聯(lián)立各式解得

二、學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

從以上的解答可以看出來，無論是采用微元法、能量守恒法還是動(dòng)量定理法，都要求學(xué)生具有較高的推理能力、遷移能力和變通能力，學(xué)生只有具備過硬的核心素養(yǎng)，才能在考場(chǎng)上游刃有余，從容不迫的應(yīng)對(duì).筆者認(rèn)為培養(yǎng)高中生的核心素養(yǎng)，應(yīng)做到以下幾點(diǎn).

1.讓學(xué)生構(gòu)建物理知識(shí)體系，理解概念、規(guī)律的內(nèi)涵和外延.

物理教學(xué)中，應(yīng)注重對(duì)基本概念、基本思想、基本規(guī)律的理解和掌握，對(duì)一些核心的概念規(guī)律和方法要采用“循序漸進(jìn)”、“追根究底”的教學(xué)策略，不但將它們貫穿于三年高中物理教學(xué)，還要幫助學(xué)生了解他們的來龍去脈，讓學(xué)生體驗(yàn)概念的形成過程.通過創(chuàng)造“身臨其境”的環(huán)境讓學(xué)生充分理解這些概念的內(nèi)涵和外延，領(lǐng)悟規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程中所用的巧妙方法；讓學(xué)生重走科學(xué)家的探尋之路，感受科學(xué)家探究規(guī)律過程中表現(xiàn)出來的恒心與毅力，并將這些優(yōu)秀品質(zhì)內(nèi)化為自身的一部分.

2.滲透思想方法，加強(qiáng)科學(xué)方法教育

物理學(xué)科中有豐富多彩的思想方法，只有掌握它們，才能對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互聯(lián)系認(rèn)識(shí)清楚，進(jìn)而提出創(chuàng)造性的見解.如理想模型法、比值定義法、微元法、面積法、等效替代法、分解法、面積法、整體法、假設(shè)法等等，應(yīng)將這些方法滲透在平時(shí)的教學(xué)中，內(nèi)化為學(xué)生自己的方法，成為學(xué)生科學(xué)思維的重要組成部分.

3.多方位培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣

興趣是最好的老師，一旦學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)有了興趣，學(xué)習(xí)就不是他們的負(fù)擔(dān)，而成為他們的責(zé)任.教學(xué)中可以從以下幾方面入手：多鼓勵(lì)學(xué)生利用生活中的物品自制教具，對(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)進(jìn)行表揚(yáng)；周末開放物理實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生有條件設(shè)計(jì)和驗(yàn)證自己的猜想；教師將自己對(duì)物理興趣的正能量傳遞給學(xué)生；讓學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中獲得成功體驗(yàn)等等.

物理教學(xué)最本質(zhì)、最核心的追求是培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)，對(duì)物理核心素養(yǎng)的認(rèn)識(shí)及對(duì)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)策略，是一個(gè)不斷深入的過程，我們必須不斷地探索、思考、實(shí)踐.