立足模型构建 提升科学思维①——2022年高考全国物理乙卷压轴题评析

李健华

(广东省深圳市龙岗区布吉高级中学,广东 深圳 518100)

1 引言

《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》提出的基本理念之一为:“注重体现物理学科本质,培养学生物理学科核心素养。”高中物理教学要从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面提高学生的核心素养,为学生终身发展打好基础。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,在物理学科核心素养中处于重要地位。其中模型建构既是高中物理教学的内容,也是解决物理问题的手段。课程标准对于模型构建的学业质量水平划分了5级水平,水平1为:能说出一些简单的物理模型;水平2为:能在熟悉的问题情境中应用常见的物理模型;水平3为:能在熟悉的问题情境中根据需要选用恰当的模型解决简单的物理问题;水平4为:能将实际问题中的对象和过程转换成物理模型;水平5为:能将较复杂的实际问题中的对象和过程转换成物理模型。2022年全国高考压轴题较好地考查了物理学科核心素养,特别考查了模型建构能力。

2 试题呈现与解析

2.1 试题呈现

如图1所示,一质量为m的物块A与轻质弹簧连接,静止在光滑水平面上;物块B向A运动,t=0时与弹簧接触,到t=2t0时与弹簧分离,第一次碰撞结束,A、B的v-t图像如图2所示。已知从t=0到t=t0时间内,物块A运动的距离为0.36v0t0。A、B分离后,A滑上粗糙斜面,然后滑下,与一直在水平面上运动的B再次碰撞,之后A再次滑上斜面,达到的最高点与前一次相同。斜面倾角为θ(sinθ=0.6),与水平面光滑连接。碰撞过程中弹簧始终处于弹性限度内。求:

图1

图2

(1) 第一次碰撞过程中,弹簧弹性势能的最大值;

(2) 第一次碰撞过程中,弹簧压缩量的最大值;

(3) 物块A与斜面间的动摩擦因数。

2.2 试题解析

3 试题赏析

该试题考查的物理观念有:运动与相互作用观念、能量观念,涉及动量守恒中的碰撞问题、匀变速直线运动问题。A、B两物块通过弹簧的作用,当B向前压缩弹簧时,B做加速度增加的减速运动,A做加速度增加的加速运动,当两物块速度达到相等时,两者的距离最短,即弹簧压缩至最短,这一过程可视为完全非弹性碰撞,减少的动能转化为弹性势能,从而可以轻松解决第(1)问。接着A继续加速、B继续减速,A、B两物块之间距离增加,即弹簧变长,直到弹簧达到原来长度,两物块在水平面上分离,这个过程可视为弹性碰撞。物块A在斜面上运动的速度先减到0,然后加速回到水平面,物块A向左压缩弹簧、再反弹,与B物块分离,这一过程可视为弹性碰撞,从而解出物块A返回到水平面的速度,为下一步求出动摩擦因数打好基础。

该试题通过对A、B两物块多过程的复杂情境的设置,体现了课标的以下内容要求: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和非弹性碰撞现象;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。

4 教学建议

动量守恒定律是高中物理中的一个重要规律,是历年高考中的考查热点。课标提出:“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。”这是我们教学中需要思考的重要问题,笔者在教学实践中发现,从能量守恒出发,抓住碰撞中动能变化这个核心,可以构建三种物理模型,从而突破教学中的重、难点。

4.1 从动量和动能守恒出发,建构弹性碰撞模型

4.2 从系统动能损失最大出发,建构完全非弹性碰撞模型

4.3 从系统动能增加出发,建构爆炸模型

5 结语

模型建构能力是高考物理的考查热点,也应该是物理教学的重点。在动量守恒定律教学中涉及多个模型的建构,从动能变化的视角可划分为以下三种模型:弹性碰撞模型、完全非弹性模型、爆炸模型。在教学中如果抓住这些重点,根据实际情境建构适当的物理模型,有助于学生在解决较复杂的实际问题时,将对象和过程转换成物理模型,从而提升他们的科学思维能力和问题解决能力。