挖掘高考试题内涵 培养学生物理观念

黄爱国

(华南师范大学附属中学,广东 广州 510630)

2017年版普通高中物理课程标准提出的物理核心素养包含了物理观念、科学思维、科学探究、科学态度和责任．“物理观念”是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识;是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华;是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础．通过高中阶段的学习,学生初步具有现代物理的物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念等,能用这些观念描述自然界的图景．学生经过高一高二的物理学习对物理概念和物理规律有一定的认识,初步形成了水平层级较低的物理观念．在高三的复习备考中挖掘高考试题内涵,让学生将掌握的物理概念和规律融会贯通,发展学生高水平层级物理观念．

1 创设真实的问题情境,让学生感受身边的物理

人们对物理学的研究是起源于实际生活中对物体运动现象的研究．人们把观察物体运动后总结出来的结论进行归纳整理,形成了早期的物理观念．因此,物理离不开生活,生活离不开物理．高考试题有不少来源于生产生活的真实问题,注重理论联系实际．通过这些真实的问题情境,让学生感受身边的物理．

例1.(2020年全国Ⅰ卷第14题)行驶中的汽车如果发生剧烈碰撞,车内的安全气囊会被弹出并瞬间充满气体．若碰撞后汽车的速度在很短时间内减小为0,关于安全气囊在此过程中的作用,下列说法正确的是

(A) 增加了司机单位面积的受力大小.

(B) 减少了碰撞前后司机动量的变化量.

(C) 将司机的动能全部转换成汽车的动能.

(D) 延长了司机的受力时间并增大了司机的受力面积.

用安全气囊真实问题考查学生相互作用的物理观念;汽车发生剧烈碰撞时,弹开的安全气囊的作用是增大相互作用的时间和面积,在速度变化相同的情况下,即动量改变量相同的条件下,可以减少相互作用力,保护司机的人身安全．学生通过这道题感受到身边处处有物理,慢慢地养成用物理知识、物理观念来解释生活现象和解决实际问题的良好习惯．

2 融会贯通概念和规律,促进学生构建物理观念

高考试题综合性比较强,每一道试题要考查多个物理概念和规律．通过挖掘高考试题考查概念规律之间关联和进阶关系,可以让学生融会贯通概念和规律,由知识网络和进阶关系构建物理观念．

图1

例2.(2019年全国1卷第15题)如图1,空间存在一方向水平向右的匀强磁场,两个带电小球P和Q用相同的绝缘细绳悬挂在水平天花板下,两细绳都恰好与天花板垂直,则

(A) P和Q都带正电荷.

(B) P和Q都带负电荷.

(C) P带正电荷,Q带负电荷.

(D) P带负电荷,Q带正电荷.

本题涉及的物理概念和规律有“点电荷”、“电荷相互作用”、“电场和电荷的相互作用”、“作用力和反作用力”、“物体的平衡”等．

概念和规律融会贯通的思维过程如图2所示，其中P、Q电荷间相互作用用F12、F21表示，匀强电场对P、Q电荷作用力用F3，F4表示学生通过分析两个点电荷之间多种相互作用及电荷在竖直方向上受力情况;然后综合运用物理概念和规律解决这道题的过程就是将物理概念和规律在头脑中提炼和升华的过程,是一个逐步构建相互作用观念、提升物理观念水平层级的过程．

图2

3 试错破解惯性和误区,促进学生修正物理观念

在高一高二的物理学习过程中,部分学生常常因为生活经验的思维定势,形成不清晰的甚至是错误的概念和规律,导致没有形成正确的物理观念．高三是学生高中学习的最后阶段,在教学过程通过学生试错暴露出问题,给予及时的纠正和正确的示范引导．让学生纠正他们的错误认识,帮助他们建立正确的知识结构,修正物理观念．

图3

(A) 2mgR. (B) 4mgR.

(C) 5mgR. (D) 6mgR.

此题的综合性较强,对学生的审题能力和思维能力的要求都比较高,学生做起来往往感觉比较困难．此题给的图只是一个半成品,小球的运动过程不仅仅局限于轨道上,学生必须通过认真审题明确小球运动的全过程后才能正确求解．学生答题过程中大致的错误有如下3种情况．

错法1:由于本题描述的运动过程不限于只在轨道运动的过程,很多学生按照惯性思维,未注意到“轨迹最高点”的含义．因此虽然理解了机械能的增量等于水平外力所做的功,但忽略了小球从c点飞出去后的运动过程中外力所做的功,只求了从a到c的过程水平外力所做的功,得出ΔE=3mgR或者直接认为只在水平轨道运动才受到水平外力,得出ΔE=2mgR.

错法2:懂得机械能增量ΔE=F(3R+x),但是对分运动的等时性不清楚,因此无法求出水平位移x.

图4

学生充分暴露出错误后,要求学生重新认真审题后画出小球运动的完整轨迹,进行受力分析,明确求什么,然后再由功能关系或者机械能的定义找出待求的物理量,通过功能关系及力与运动一一破解．

正确解答:如图4所示,作出小球运动轨迹的完整示意图,设c点的速率为vc,飞出轨道后上升的高度为h,水平位移为x,最高点速率为vx．

通过学生试错暴露出对物理概念和规律掌握得不够准确,物理模型不够清晰等．教师针对学生的思维惯性和认识误区给予分析纠正,就能较好地促进学生修正物理观念．

4 拓展试题情境和设问,促进学生发展物理观念

在教学过程中,通过一题多变、一题多问、一题多解等方式来拓展问题情境,锻炼学生灵活运用所学物理知识解决实际问题的能力,发展学生的思维水平．增加试题信息的广度和深度,要求学生能够从复杂情景中获取信息,建立文字、图像等不同信息呈现方式之间的联系,从而构建正确的物理图景,发展学生的物理观念,使处于不同水平层级的学生都有发展的空间．

图5

例4.(2019年全国Ⅱ卷第24题)如图5,两金属板P、Q水平放置,间距为d．两金属板正中间有一水平放置的金属网G,P、Q、G的尺寸相同．G接地,PQ的电势均为φ(φ>0)．质量为m,电荷量为q(q>0)的粒子自G的左端上方距离G为h的位置,以速度v0平行于纸面水平射入电场,重力忽略不计．

(1) 求粒子第1次穿过G时的动能,以及它从射入电场至此时在水平方向上的位移大小;

(2) 若粒子恰好从G的下方距离G也为h的位置离开电场,则金属板的长度最短应为多少?

这两问的思维难度并不高,主要是考察学生对带电粒子在电场中的运动情况．由于设问简单,带电粒子在电场中多种运动情况还没有涉及到．为了促进学生发展运动观念,可以尝试将本题的情境和设问进行拓展．

图6

由于带电粒子射出电场时的位置B点与A点y坐标相同,AB两点的速度大小相等,可以求出A点的y坐标yA和y方向的速度vy．

利用上述各式可解得A的速度和位置坐标;然后再利用A、B两点的速度和位置的关系求出B点的速度为

方向与水平方向夹角为

斜向上飞出电场,位置坐标为

图7

学生从基本物理模型入手,试题的前两问并不困难．两个拓展问题对学生能力要求较高,学生只有熟练掌握相关知识和方法,具备较高水平的应用能力和创新能力,并且利用带电粒子在两个电场运动的周期性,通过类平抛基本模型的创新应用才能较好地解决问题．通过这样拓展问题情景,让学生更加清晰地把握带电粒子在电场的运动情况,能较好的发展学生的运动观念．

物理观念划分5个水平层级．从具有将物理学与实际相联系的意识;形成初步的物理观念;具有物理观念;具有清晰的物理观念;具有清晰、系统的物理观念．学生物理观念的形成和提升不能一蹴而就,需要在不同的学段采取不同的教学策略,让学生物理观念水平层级螺旋式的提升．在高三复习教学过程中,通过挖掘高考试题内涵,使学生把物理概念和物理规律融会贯通,才能较好地发展学生高水平层级的物理观念,在学生进入高校学习或工作中,从物理学的视角正确描述和解释自然现象,灵活应用所学知识解决实际问题,为有效指导工作和生活实践打下坚实基础．