建构物理模型 提升学科核心素养——以2022年6月浙江省高考题第21题为例

杨卫婵

（杭州师范大学附属中学，浙江 杭州 310030）

2022年6月浙江省物理高考题第21题取材以我国航母电磁弹射技术的发展为背景，将物理与生产实践和我国科技发展紧密联系起来，充分体现了物理作为基础学科在生产和高科技中的重要作用，该试题关注学生建模和解决问题能力的考查，体现了高考的选拔功能，发挥了育人的导向作用.下面就对该试题进行分析，从解决问题的基本思路去分析如何合理建构物理模型，以达到提升学生核心素养的形成和发展的目的.

1 原题呈现及试题评析

原题.（10分）舰载机电磁弹射是现在航母最先进的弹射技术，我国在这一领域已达到世界先进水平.某兴趣小组开展电磁弹射系统的设计研究，如图1所示，用于推动模型飞机的动子（图中未画出）与线圈绝缘并固定，线圈带动动子，可在水平导轨上无摩擦滑动.线圈位于导轨间的辐向磁场中，其所在处的磁感应强度大小均为B.开关S与1接通，恒流源与线圈连接，动子从静止开始推动飞机加速，飞机达到起飞速度时与动子脱离；此时S掷向2接通定值电阻R0，同时施加回撤力F，在F和磁场力作用下，动子恰好返回初始位置停下.若动子从静止开始至返回过程的v t图如图2所示，在t1至t3时间内F=（800-10v）N，t3时撤去F.已知起飞速度v1=80m/s，t1=1.5s，线圈匝数n=100匝，每匝周长l=1m，动子和线圈的总质量m=5kg，模型飞机质量M=10kg，R0=9.5Ω，B=0.1T，不计空气阻力和飞机起飞对动子运动速度的影响，求

图1

图2

（1）恒流源的电流I；（2）线圈电阻R；（3）时刻t3.

评析：该试题以我国航母电磁弹射技术的发展为背景，考查了学生对牛顿运动定律、闭合电路欧姆定律、电磁感应定律、安培力、动量定理等基本知识的综合应用.突出了物理思想和物理建模能力的考查.该题学生存在的思维障碍主要有：（1）研究对象不清楚，学生在分析电路时，需要运用转化方法将线圈空间立体问题转化为平面问题，圆环切割辐射性磁场，产生动生电动势，题目中设计了N匝线圈，等效电源应该是N匝线圈的圆周长切割的结果.分析受力，也应该是N匝线圈所受的安培力的合力，这就要求学生具备获取关键信息并构建模型的能力；（2）过程分析不清楚，根据学生熟悉的v-t图像，对运动与力进行分析，明确线圈和动子的运动过程以及受力情况，这就要求学生具备运动和相互作用的物理观念；（3）不会选择合适的规律解决问题，求解动子和线圈的运动时间，学生不知道如何去应用牛顿运动定律、动量定理、动能定理三大规律解决实际问题.

解析：根据学生存在的障碍，我们可以设计以下思路进行分析求解.

（1）分析电源.

N匝线圈切割磁感线，充当电源，这里需要将空间的立体的线圈看成是二维的导线切割，整个线圈切割磁感线，而不是等效直径切割.根据法拉第电磁感应定律E=nBlv.

（2）分析电路.

在t1～t2时间内，线圈和转子在向左的安培力以及外力作用下，匀减速直线运动.由于安培力和运动的速度有关，外力和安培力的合力应该是一个定值，和物理的速度没有关系.因此：

（5）选择合适的规律解决实际问题.

第3问求解t3，对于该问，学生往往不能准确、清晰地分析物理过程，以及不清楚选择哪个规律解决该问题.对于t3时刻的求解，我们可以先从t3时刻开始分析物理过程，线圈做加速度减小的减速运动，是一个非匀变速的运动过程，利用牛顿运动定律求解存在一定的困难.从能量的角度，安培力作为变力，对空间的累积无法求解，而动量定理中安培力对时间的累积出现了电荷量，因此从动量角度分析运动位移比较方便求解，题干中出现了位移相等的信息.t3时刻到线圈停止过程中，根据动量定理得-nBlIΔt=-mv.

2 电磁感应类问题解决的基本思路

在教学过程中，对于电磁感应类的教学，我们可以设计以下五步法进行分析求解.如图3.

图3 解决电磁感应类问题的基本思路

2.1 模型建构

模型建构是将实际问题抽象、简化为模型，然后用数学符号或公式、图形、图像或图表加以表征的过程.物理建模就是依据已有经验材料，对一类问题构建问题本质图景，并用物理模型解释和预测现象的科学思维能力的科学实践活动.［1］在物理学中，突出问题的主要方面，忽略问题的次要方面，建立起“物理模型”是我们经常采用的一种科学研究方法，［2］它是学生获取知识的一种途径，更是培养学生创造性思维的有效途径.面对千变万化的新颖的物理试题，尤其是物理选考的压轴题，其实就是最基本模型的衍生.浙江省2022年6月份的第21题，就是以“杆轨”为载体的含阻模型的衍生.根据以上提供的五步分析法的基本思路，构建“杆轨”为载体的含阻模型即在受到外力情况下的模型，外力我们根据恒力和变力进行讨论，这里我们用重力提供恒定外力进行讨论，其建模过程见表1.

表1

2.2 思考和启示

根据学生在学习过程中存在的思维障碍，从解决问题的基本思路去分析建构物理模型，在教学过程中我们需要关注以下几点.

（1）重视物理观念开展教学.

教师在教学过程中注重引导学生物理概念、物理规律的建构过程，学生在学习过程中经历理解、应用、迁移创新的过程，在脑海中逐渐形成自己的知识框架，而不是简单的死记硬背套公式，逐步形成物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念及其应用.

（2）注重学生数形结合能力的培养.

在物理学中，物理量之间的关系一般用一些数学关系联系起来，也可以利用图像来呈现.数形结合时涉及物理思维的转化以及物理规律的应用，是学生思维的一个难点，2022年高考题就考查了数形结合的应用.

（3）重视物理情境的创设开展教学，关注知识的运用与科学技术、社会生活的联系.

物理试题往往依托于真实情境，考查学生的落脚点不仅仅是公式的应用，同时指向学生运用物理规律解决实际的问题.2022年高考题就是以我国003 航母福建舰为背景，这也反映了物理作为一门基础学科，它与社会、经济、科技、生产实际密切联系，教学过程中要注重融入体育、科技、生产实际等真实情境.

（4）注重科学建模.

学生在情境化、去情境化和再情境化知识的时候，往往缺少有效的抓手，如果在学习过程中，学生能从基本模型建构入手，在新的情境中准确的运用，学生的物理学习也将逐步走出题海，真正回归核心素养的落地.

总之，教师在教学过程中要注重基础知识的落实，加强对学生科学建模能力的培养，进而提升学生的学科核心素养，我想学生也就具备了终身发展的能力，达到了物理学科育人的目标.