建構(gòu)物理模型 提升學(xué)科核心素養(yǎng)
——以2022年6月浙江省高考題第21題為例

楊衛(wèi)嬋

（杭州師范大學(xué)附屬中學(xué)，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(shí)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(xué)科在生產(chǎn)和高科技中的重要作用，該試題關(guān)注學(xué)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(dǎo)向作用.下面就對該試題進(jìn)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(dá)到提升學(xué)生核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展的目的.

1 原題呈現(xiàn)及試題評析

原題.（10分）艦載機(jī)電磁彈射是現(xiàn)在航母最先進(jìn)的彈射技術(shù)，我國在這一領(lǐng)域已達(dá)到世界先進(jìn)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(jī)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(dǎo)軌上無摩擦滑動.線圈位于導(dǎo)軌間的輻向磁場中，其所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)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(jī)加速，飛機(jī)達(dá)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(jī)質(zhì)量M=10kg，R0=9.5Ω，B=0.1T，不計空氣阻力和飛機(jī)起飛對動子運(yùn)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(xué)生對牛頓運(yùn)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(xué)生存在的思維障礙主要有：（1）研究對象不清楚，學(xué)生在分析電路時，需要運(yùn)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(xué)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(xué)生熟悉的v-t圖像，對運(yùn)動與力進(jìn)行分析，明確線圈和動子的運(yùn)動過程以及受力情況，這就要求學(xué)生具備運(yùn)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(yùn)動時間，學(xué)生不知道如何去應(yīng)用牛頓運(yùn)動定律、動量定理、動能定理三大規(guī)律解決實(shí)際問題.

解析：根據(jù)學(xué)生存在的障礙，我們可以設(shè)計以下思路進(jìn)行分析求解.

（1）分析電源.

N匝線圈切割磁感線，充當(dāng)電源，這里需要將空間的立體的線圈看成是二維的導(dǎo)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(yùn)動.由于安培力和運(yùn)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(shí)際問題.

第3問求解t3，對于該問，學(xué)生往往不能準(zhǔn)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(yùn)動，是一個非勻變速的運(yùn)動過程，利用牛頓運(yùn)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(yùn)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.

2 電磁感應(yīng)類問題解決的基本思路

在教學(xué)過程中，對于電磁感應(yīng)類的教學(xué)，我們可以設(shè)計以下五步法進(jìn)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

2.1 模型建構(gòu)

模型建構(gòu)是將實(shí)際問題抽象、簡化為模型，然后用數(shù)學(xué)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(yàn)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(yù)測現(xiàn)象的科學(xué)思維能力的科學(xué)實(shí)踐活動.［1］在物理學(xué)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(xué)研究方法，［2］它是學(xué)生獲取知識的一種途徑，更是培養(yǎng)學(xué)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(shí)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(jìn)行討論，這里我們用重力提供恒定外力進(jìn)行討論，其建模過程見表1.

表1

2.2 思考和啟示

根據(jù)學(xué)生在學(xué)習(xí)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(xué)過程中我們需要關(guān)注以下幾點(diǎn).

（1）重視物理觀念開展教學(xué).

教師在教學(xué)過程中注重引導(dǎo)學(xué)生物理概念、物理規(guī)律的建構(gòu)過程，學(xué)生在學(xué)習(xí)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(yùn)動觀念、相互作用觀念、能量觀念及其應(yīng)用.

（2）注重學(xué)生數(shù)形結(jié)合能力的培養(yǎng).

在物理學(xué)中，物理量之間的關(guān)系一般用一些數(shù)學(xué)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(xué)生思維的一個難點(diǎn)，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(xué)，關(guān)注知識的運(yùn)用與科學(xué)技術(shù)、社會生活的聯(lián)系.

物理試題往往依托于真實(shí)情境，考查學(xué)生的落腳點(diǎn)不僅僅是公式的應(yīng)用，同時指向?qū)W生運(yùn)用物理規(guī)律解決實(shí)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(xué)科，它與社會、經(jīng)濟(jì)、科技、生產(chǎn)實(shí)際密切聯(lián)系，教學(xué)過程中要注重融入體育、科技、生產(chǎn)實(shí)際等真實(shí)情境.

（4）注重科學(xué)建模.

學(xué)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(xué)習(xí)過程中，學(xué)生能從基本模型建構(gòu)入手，在新的情境中準(zhǔn)確的運(yùn)用，學(xué)生的物理學(xué)習(xí)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(xué)過程中要注重基礎(chǔ)知識的落實(shí)，加強(qiáng)對學(xué)生科學(xué)建模能力的培養(yǎng)，進(jìn)而提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，我想學(xué)生也就具備了終身發(fā)展的能力，達(dá)到了物理學(xué)科育人的目標(biāo).