在物理问题解决中科学思维的进阶应用分析

杨光明

摘 要：“科学思维”作为物理学科核心素养的重要要素之一，其培养并非一蹴而就，需要循序渐进。本文以近年来高考全国卷“动量守恒定律”试题为例，分析在物理问题解决中如何注重不同科学思维水平的进阶应用，逐步培养学生的模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等能力品质。

关键词：物理核心素养；科学思维；进阶应用；高考题；动量守恒定律

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）8-0073-4

“科学思维”作为物理学科核心素养的主要要素之一，成为普通高中物理课程的重要培养目标。《普通高中物理课程标准（2017年版）》（下称“新版课程标准”）明确指出：“科学思维”是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式；是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格。”[1] 然而，普通高中学生科学思维的养成并非一蹴而就，需要循序渐进，需要在物理问题解决中进阶式培养学生的模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等能力品质。

1 分析依据

“新版课程标准”[1]指出的科学思维水平及其表现内容，如表1所示。

“新版课程标准”对“动量守恒定律”部分的内容标准要求：“理解冲量和动量。通过理论推导和实验，理解动量定理和动量守恒定律，能用其解释生产生活中的有关现象。知道动量守恒定律的普适性。通过实验，了解弹性碰撞和非弹性碰撞的特点。定量分析一维碰撞问题并能解释生产生活中的弹性碰撞和非弹性碰撞现象。体会用守恒定律分析物理问题的方法，体会自然界的和谐与统一。”[2]

从“新版课程标准”要求水平来看，对动量及动量守恒定律内容部分要求水平属于较高的“理解”水平。近年高考全国卷物理试题中以各种题型从不同角度考查学生对动量及动量守恒定律相关内容的理解及其应用，体现出动量及动量守恒定律内容在高考试题中极其重要的地位，相关内容考查情况见表2。

2 实例分析

以物理学科核心素养中科学思维进阶表现水平及其内容为依据，对近年来高考全国卷试题中涉及的“动量守恒定律”内容进行分析。

案例1 （2017年全国Ⅰ卷14题）将质量为1.00 kg的模型火箭点火升空，50 g燃烧的燃气以大小为600 m/s的速度从火箭喷口在很短时间内喷出。在燃气喷出后的瞬间，火箭的动量大小为（喷出过程中重力和空气阻力可忽略）（ ）

A.30 kg·m/s B.5.7×102 kg·m/s

C.6.0×102 kg·m/s D.6.3×102 kg·m/s

分析 该题在思维水平上要求学生在熟悉的问题情境中应用常见的物理模型，能对比较简单的物理现象进行分析和推理，获得结论。可以将该题归纳至“新版课程标准”中科学思维水平等级的“水平2”。例如，该题涉及的“熟悉的问题情境”：反冲运动和火箭。火箭是生活中常见的物理模型，利用反冲的原理，靠喷出气流的反冲作用而获得巨大的速度。题干中模型火箭喷出的燃气作用于模型火箭过程，由于时间很短满足动量守恒的条件，模型火箭所获得的动量大小等于喷出燃气的动量大小，即：

p=mv=0.05 kg×600 m/s=30 kg·m/s

案例2 [2015·全国Ⅰ·35（2）]如图1所示，在足够长的光滑水平面上，物体A、B、C位于同一直线上，A位于B、C之间。A的质量为m，B、C的质量都为M，三者均处于静止状态。现使A以某一速度向右运动，求m和M之间应满足什么条件，才能使A只与B、C各发生一次碰撞。设物体间的碰撞都是弹性的。

分析 通过审题，该题可以归纳至“新版课程标准”科学思维水平的等级“水平3”；题目内容属于学生熟悉的问题情境——碰撞中动量守恒定律的应用；根据需要选用恰当的物理模型解决简单的物理问题——弹性碰撞；能对常见的物理现象进行分析和推理，获得结论并作出解释。

根据题意，足够长的光滑水平面上，A以某一速度向右运动，求m和M之间应满足什么条件，才能使A只与B、C各发生一次碰撞（设物体间的碰撞都是弹性的）。

首先，是A、C之间发生弹性碰撞，一个动的碰撞一个静的发生弹性碰撞，存在一个动量守恒和一个机械能保持不变，联立可求出碰后A、C的速度表达式。根据条件要使A、C碰后，A还要与B碰撞， 因此A的速度必须反向向左，C的速度向右。

设A运动的初速度为v0，A向右运动与C发生碰撞，

案例3 [2016·全国Ⅰ·35（2）]某游乐园入口旁有一喷泉，喷出的水柱将一质量为M的卡通玩具稳定地悬停在空中。为计算方便起见，假设水柱从横截面积为S的喷口持续以速度v0竖直向上喷出；玩具底部为平板（面积略大于S）；水柱冲击到玩具底板后，在竖直方向水的速度变为零，在水平方向朝四周均匀散开。忽略空气阻力。已知水的密度为ρ，重力加速度大小为g。求：

（1）喷泉单位时间内喷出的水的质量；

（2）玩具在空中悬停时，其底面相对于喷口的高度。

分析 该题需要将较复杂的实际问题中的对象和过程转换成物理模型，需要学生能在新的情境中对综合性物理问题进行分析和推理，获得正确结论并作出解释，具有一定的新颖性。属于“新版课程标准”中科学思维进阶表现水平的较高等级“水平5”。

成功解答该题需要学生能建立柱状模型，能应用动量定理解题，一方面能构建卡通玩具受力平衡的模型，进而分析其受力的来源，“顺藤摸瓜”找到水流柱对卡通玩具的反冲力。另一方面是应用模型转化的思维，因为喷射的水流本身不是固定形状，学生需要将其转化为某一段时间内喷射的水流形成的水流柱对卡通玩具的平均作用力（隐含的时间参数可以消除），应用动量定理进行分析和推理，从而获得结论。

此外，该题对于“连续”质点系发生持续作用的考查，需要学生具有这样的进阶思维：物体动量（或其他量）连续发生变化这类问题需要正确选取研究对象，即选取很短时间Δt内动量（或其他量）发生变化的这部分物体作为研究对象，該题中需要建立如下的“柱状模型”：在时间Δt内所选取的研究对象均分布在以S为截面积、长为vΔt的柱体内，这部分质点的质量为Δm=ρSvΔt，以这部分柱状体为研究对象，研究它在Δt时间内动量（或其他量）的变化情况，再根据动量定理（或其他规律）求出有关的物理量。

模型是抽象的，尤其是在新的物理问题情境中构建模型、转换模型，对于学生具有相当的难度。题目的复杂性往往不在于该题本身有多难，而在于其新的问题情境，这种情境对学生而言通常是新颖的、陌生的，需要学生具备迁移应用、创新的问题解决能力。

3 结 语

科学思维作为物理学科核心素养的重要组成部分，即使在以往的高考试题中也较为突出。“新版课程标准”明确提出科学思维水平及其表现内容，将作为未来考试命题的重要依据。近年来，相关研究[3-4]较多地关注习题教学中的科学思维进阶应用，与之不同的是，本文通过对高考实例进行分析发现，尽管考试命题内容所呈现出的科学思维水平不一样，但把握准在复杂问题情境中的研究对象，以及将其顺利转化为熟悉的物理模型，就能在新的物理情境中对综合性物理问题进行准确分析和正确推理，就能逐步解决物理问题。这需要一方面在物理教学中注重培养学生对生活中新技术应用的关注意识，以适应各种“新情境”；另一方面要熟悉各种物理模型及其适用条件，力争达到举一反三、触类旁通的灵活应用程度。

参考文献：

[1][2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[3]卞志荣.基于解题习惯和思维方法进阶下的习题课变式教学——以“杆球连接体”为例[J].物理教师，2018，39（1）：88-92.

[4]曹会.巧设实验模型主线 凸显思维的“有效进阶”——“测定电源的电动势和内阻”复习课回眸[J].物理教师，2017，38（12）：40-44.

（栏目编辑 李富强）