高中物理創(chuàng)新模型的特征和教學策略初探

陳海亮

摘要：物理學是研究物質結構、相互作用和運動規(guī)律的學科，在考題中命題者往往利用創(chuàng)新模型鑒別學習者的物理能力和學科核心素養(yǎng)。那么創(chuàng)新模型有什么特點，學習者需要具備什么樣的物理思維品質和學科素養(yǎng)，是我們需要研究的問題。

關鍵詞：創(chuàng)新模型;思維品質;學科素養(yǎng);教學策略

第一部分：創(chuàng)新模型的特征和分類

1.熟悉模型的新挖掘

【例1】如圖1，小車的上面固定一個光滑彎曲圓管道，整個小車（含管道）的質量為2m，原來靜止在光滑的水平面上。今有一個可以看做質點的小球（質量為m，半徑略小于管道半徑），以水平速度v從左端滑上小車，小球恰好到達管道的最高點，然后從管道右端滑離小車。設重力加速度為g，關于這個過程，下列說法正確的是（ ? ?）

A.小球滑離小車時，小車回到原來位置

B.小球滑離小車時小球的速度大小為

C.車上管道中心線最高點的豎直高度為

D.小球滑到最高點的過程中，小車的動量變化量大小是

【解析】根據受力分析，系統水平方向動量守恒，全程系統機械能守恒，由此可見小球全程為彈性碰撞，那么根據關系式 ， 得 ， ，代入數據得 ， ，那么選項B正確，但這與小球穿越管道后的情景是矛盾的，若穿越后車速向前，則球速也一定向前，且大于車速。其實動碰靜的彈性碰撞還有一組解，那就是碰完后各自回到起始速度，即車的速度為 ，球的速度為 ，此解也符合前面的動力學分析過程。

【總結】從穿越來看，此模型與熟悉的子彈打木塊類似，但是該過程無摩擦生熱;從碰撞來看，此模型與彈簧參與的彈性碰撞類似，但是該過程發(fā)生了穿越。這類模型的特點是命題者在常見模型下進行了新的挖掘，讓學生產生認知習慣的沖突，考察學生深層次多角度理解物理規(guī)律的能力。

2.多種熟悉模型的組合

【例2】（2019全國1卷21題）在星球M上將一輕彈簧豎直固定在水平桌面上，把物體P輕放在彈簧上端，P由靜止向下運動，物體的加速度a與彈簧的壓縮量x間的關系如圖2中實線所示。在另一星球N上用完全相同的彈簧，改用物體Q完成同樣的過程，其a-x關系如圖2中虛線所示，假設兩星球均為質量均勻分布的球體。已知星球M的半徑是星球N的3倍，則（）

【總結】利用彈簧振子將萬有引力與重力關系、豎直彈簧振子的對稱運動和變力做功（F-x面積為該力的功）加載到一個模型里面，僅僅只用一個函數圖進行呈現，無實物情景圖。這種混合模型的變化組合角度是很多的，創(chuàng)新性較大，不僅需要學生對單個模型非常熟悉，還需要學生具備短時間內剝離出每一個模型已知和未知的關系，從而簡化問題的能力。

3.打破常規(guī)完全創(chuàng)新的模型

【例3】如圖4，在兩個等量正點電荷連線的中垂線上，有a、b兩個點電荷繞O點做勻速圓周運動，且a、b與O始終在一條直線上。點電荷的重力不計，忽略a、b間的庫侖力，則a、b兩個點電荷的比荷之比為多少？

【解析】根據勻速圓周運動合力指向O點，則運動電荷必為負電荷，根據對稱，兩電荷的間距為2d，對a由牛頓第二定律有 ，角速度 相同，整理式子得 ;同理對b有 ，則a、b兩個點電荷的比荷之比為 。

【總結】等量同種電荷構成的電場模型一般都限定于此平面內的受力、運動和功能問題。此題出現了勻速圓周運動，屬于打破常規(guī)完全創(chuàng)新的模型，需要學生抓住問題的核心——勻速圓周運動合力提供向心力這個動力學本質，然后根據受力特征確定向心力，從而根據圓心位置逆向探索出運動學的空間立體結構，需要學生有非常強的學科能力。

第二部分：培養(yǎng)學生正確的物理思維品質和具體應對策略

學生需要培養(yǎng)以下思維品質：選出合適的研究對象，將對象抽象為質點、桿、光線、一段波形、封閉系統等理想化模型;然后利用該模型相關的概念和規(guī)律去描述該對象所在的狀態(tài)和物理過程;最后選擇最合適的物理角度利用物理概念或者公式將問題與條件連接起來，此處需要學生多從數學角度探索背后的物理關聯。

針對以上三種創(chuàng)新模型的特征，教師可幫助學生掌握以下應對策略。

1.遇到熟悉模型新挖掘，利用好熟悉模型的切入點，尋找與熟悉模型的差別，思考原有模型所對應知識的局限性，從而尋找突破口。切莫把問題想象成一個徹底全新的模型，而丟棄熟悉的部分。

2.遇到組合模型，首先要抽離出研究對象，利用簡圖建立理想模型輔助思考，確定各個問題間的核心連接點，求解出核心物理量，選擇合適的物理狀態(tài)和物理過程然后各個擊破。

3.面對完全陌生的模型，一定要從熟悉的部分入手，利用簡圖輔助想象出完整的物理過程或者結構，以問題為抓手，抽象出模型后，將其與常規(guī)模型進行對比。切莫做無意義的展開和聯想，將問題泛化，從而脫離主旨。

物理學特征決定了物理思維品質和應對策略，教師需要在教授物理過程中堅持培養(yǎng)學生具備這樣的品質，養(yǎng)成正確的思維品質是處理創(chuàng)新物理模型的基石。

參考文獻：

[1]《普通高中物理課程標準2020年修訂版》

[2]《更高更妙的物理》編著：楊榕楠 浙江大學出版社