高考物理对科学思维考查的分析①——以2018年全国高考Ⅰ卷为例

(广东省番禺中学,广东 广州 511483)

1 引言

考查物理学科核心素养是高考命题的方向，而科学思维是物理学科核心素养的重要组成部分，因此是每年高考的重点考查内容。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理想模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等科学思维方法的内化；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品质。科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。

通过高中阶段的学习，学生应具有建构理想模型的意识和能力；能正确运用科学思维方法，从定性和定量两个方面进行科学推理、找出规律、形成结论，并能解释自然现象和解决实际问题；具有使用科学证据的意识和评估科学证据的能力，能运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测；具有批判性思维的意识，能基于证据大胆质疑，从不同角度思考问题，追求科技创新。下面通过典型试题，分析科学思维各要素在2018年全国高考卷物理试题中的考查情况。

2 试题中的科学思维考查

2.1 模型建构

模型建构是指学生构建理想模型的意识和能力，是基于经验的迁移和事实的抽象概括过程。

例1：一质量为m的烟花弹获得动能E后，从地面竖直升空,当烟花弹上升的速度为零时，弹中火药爆炸将烟花弹炸为质量相等的两部分，两部分获得的动能之和也为E，且均沿竖直方向运动。爆炸时间极短，重力加速度大小为g，不计空气阻力和火药的质量，求：

(1) 烟花弹从地面开始上升到弹中火药爆炸所经过的时间；

(2) 爆炸后烟花弹向上运动的部分距地面的最大高度。

分析：“烟花弹升空爆炸”是学生在实际生活中看到过的情景，但如何把这一情景抽象为物理过程模型，并运用物理规律解决相关问题，是其难点。“爆炸时间极短，重力加速度大小为g，不计空气阻力和火药的质量”隐含理想模型的建构条件，其中“不计空气阻力”，可把烟花弹从地面开始上升到爆炸、爆炸后向上那一部分的运动简化为竖直上抛运动，运用匀减速直线运动的规律不难求出上升的时间。“爆炸时间极短”和“不计火药的质量”隐含动量守恒的条件，在极短的爆炸时间内爆炸产生的内力远大于烟花的重力，则可认为符合动量守恒条件。同时，爆炸是一个化学能转化为动能的过程，烟花弹的动能增加量为E，是化学能转化的结果。

综上所述，爆炸过程可从动量守恒和能量守恒两个角度加以研究，这就是“爆炸模型”的处理方法。正确列出动量守恒、能量守恒的关系方程，求出炸开的两部分的速度。再运用机械能守恒定律处理向上运动部分，则可求出烟花弹向上运动的部分距地面的最大高度。

例2：高铁列车在启动阶段的运动可看作初速度为零的匀加速直线运动，在启动阶段列车的动能，正确的说法是( )。

A. 与时间成正比

B. 与位移成正比

C. 与速度成正比

D. 与动量成正比

分析：将高铁列车的运动理想化为匀变速直线运动，应用相关公式，建立起动能与时间、位移、速度及动量之间的联系。

建构物理模型是一种基本的科学思维方式，科学探究、解决复杂的工程技术问题都需要建构模型，这是需要大力去培养的能力。

2.2 科学推理

科学推理要求能正确运用科学思维方法，从定性和定量两个方面进行科学推理、找出规律、形成结论，并能解释自然现象和解决实际问题。

例3：如图1所示，abc是竖直面内的光滑固定轨道，ab水平，长度为2R。bc是半径为R的四分之一圆弧，与ab相切于b点。一质量为m的小球，始终受到与重力大小相等的水平外力作用，自a点处从静止开始向右运动。重力加速度大小为g。小球从a点开始运动到其轨迹最高点，机械能的增量为( )。

图1

A． 2mgRB． 4mgR

C． 5mgRD． 6mgR

分析：本题要求考生根据题中情景找出解决问题的规律，包括动能定理、功能关系、竖直上抛、匀变速直线运动、牛顿运动定律、运动的合成与分解等，从定量的角度进行科学推理。小球从a至c运动，先运用动能定理求出到c的速度，再根据在c点小球的受力情况和速度情况，判断速度与力之间的夹角，推理得出离开轨道以后的运动性质：在水平方向做匀加速直线运动、在竖直方向做竖直上抛运动。根据以上判断，选择合适的物理原理，由于两个方向分运动互相独立、互不影响，分别研究每一方向较为方便。运用竖直上抛的规律求出竖直方向的运动时间，然后运用匀变速运动规律定量计算出离开轨道以后水平方向的位移。再根据功能关系定量求出外力所做的功即为机械能的变化量，得到结论。

本题要求学生分析情景，找出合理解决问题的规律，根据规律进行定量推理，形成结论，思维过程浑然一体，是全面考查科学推理能力的典型题目。

考查科学推理能力的还有第16题，需要选用牛顿第二定律、胡克定律、运动规律等进行演绎推理，形成结论，并用图像合理表达出来。

2.3 科学论证

科学论证要求具有使用科学证据的意识和评估科学证据的能力，能运用证据对研究的问题进行描述、解释和预测。

例4：2017年，人类第一次直接探测到来自双子星合并的引力波。根据科学家复原的过程，在两颗中子星合并前约100s时，它们相距约400km，绕二者连线上的某点每秒转12圈。两颗中子星都看作质量均匀分布的球体，由这些数据、万有引力常量并利用牛顿力学知识，可以估算出这一时刻两颗中子星( )。

A. 质量之积 B. 质量之和

C. 速度之和 D. 各自的自转角速度

2.4 质疑创新

质疑创新要求学生具有批判性思维能力，能基于证据大胆质疑，从不同角度思考问题，追求创新。

例5：图2中虚线a、b、c、d、f代表匀强电场内间距相等的一组等势面，已知平面b上的电势为2V。一电子经过a时的动能为10eV,从a到d的过程中克服电场力所做的功为6eV。下列说法正确的是( )。

图2

A. 平面c上的电势为零

B. 该电子可能到不了平面f

C. 该电子经过平面d时，其电势能为4eV

D. 该电子经过平面b时的速率是经过d时的2倍

分析：根据题意，推理得到相邻等势面电势差为2V后，很多学生受思维定势影响，以为电子沿着垂直于等势面进入，则电子从a到f克服电场力做功为8eV，电子到f面后还具有的动能为2eV，能达到f面，而错误地排除了B选项。只要学生能大胆质疑、从不同角度思考，不难发现电子不一定沿垂直等势面方向进入，若电子沿着与等势面成不为90°的角度射入，只要电子在沿等势面方向上的分速度大小合适，完全有可能达到d面而不能达到f面。批判与质疑的精神在本题解答中显得非常可贵，跳出思维定势从不同角度思考问题尤为重要。

3 结语

理想模型的建构是基于经验和事实的抽象概括过程。在课堂教学中应引导学生从物理学的视角观察生活现象，针对实际现象排除次要、表象的因素，抽取主要因素，形成理想化模型，再依据物理原理解决问题。建立模型在解决实际问题中成为关键一步，教师遇到学生没有接触过的情景、需要抽取主要因素形成模型的问题时，要做好示范，合理联想、抓住主要因素、直观地呈现思维过程。经常这样做会使学生逐步学会在新情景中抽取有效信息，还原问题情景，找准思维的着力点，建立模型，展开推理和论证。推理过程完成后，教师带领学生一起回顾整个科学推理过程，明确指出教学过程中运用的控制变量推理、归纳推理、类比推理等方法，梳理、显化科学推理方法，方便学生理解，并在相似的问题情境中进行迁移。

培养学生的证据意识，养成先找出证据、再依据规律论证、最后得出结论的问题解决习惯。为了评估每个证据对问题解决是否有效，我们不妨在题目中设置干扰信息、冗余信息，让学生在实际运用过程中学会辨别和评估。可以通过一题多解引导学生从不同角度研究问题，也可以通过开放性的问题情景，鼓励学生展开联想、大胆创新。