在物理問題解決中科學思維的進階應用分析

楊光明

摘 要：“科學思維”作為物理學科核心素養(yǎng)的重要要素之一，其培養(yǎng)并非一蹴而就，需要循序漸進。本文以近年來高考全國卷“動量守恒定律”試題為例，分析在物理問題解決中如何注重不同科學思維水平的進階應用，逐步培養(yǎng)學生的模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新等能力品質。

關鍵詞：物理核心素養(yǎng)；科學思維；進階應用；高考題；動量守恒定律

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）8-0073-4

“科學思維”作為物理學科核心素養(yǎng)的主要要素之一，成為普通高中物理課程的重要培養(yǎng)目標?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準（2017年版）》（下稱“新版課程標準”）明確指出：“科學思維”是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規(guī)律及相互關系的認識方式；是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用；是基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格?！盵1] 然而，普通高中學生科學思維的養(yǎng)成并非一蹴而就，需要循序漸進，需要在物理問題解決中進階式培養(yǎng)學生的模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新等能力品質。

1 分析依據(jù)

“新版課程標準”[1]指出的科學思維水平及其表現(xiàn)內容，如表1所示。

“新版課程標準”對“動量守恒定律”部分的內容標準要求：“理解沖量和動量。通過理論推導和實驗，理解動量定理和動量守恒定律，能用其解釋生產生活中的有關現(xiàn)象。知道動量守恒定律的普適性。通過實驗，了解彈性碰撞和非彈性碰撞的特點。定量分析一維碰撞問題并能解釋生產生活中的彈性碰撞和非彈性碰撞現(xiàn)象。體會用守恒定律分析物理問題的方法，體會自然界的和諧與統(tǒng)一?！盵2]

從“新版課程標準”要求水平來看，對動量及動量守恒定律內容部分要求水平屬于較高的“理解”水平。近年高考全國卷物理試題中以各種題型從不同角度考查學生對動量及動量守恒定律相關內容的理解及其應用，體現(xiàn)出動量及動量守恒定律內容在高考試題中極其重要的地位，相關內容考查情況見表2。

2 實例分析

以物理學科核心素養(yǎng)中科學思維進階表現(xiàn)水平及其內容為依據(jù)，對近年來高考全國卷試題中涉及的“動量守恒定律”內容進行分析。

案例1 （2017年全國Ⅰ卷14題）將質量為1.00 kg的模型火箭點火升空，50 g燃燒的燃氣以大小為600 m/s的速度從火箭噴口在很短時間內噴出。在燃氣噴出后的瞬間，火箭的動量大小為（噴出過程中重力和空氣阻力可忽略）（ ）

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 該題在思維水平上要求學生在熟悉的問題情境中應用常見的物理模型，能對比較簡單的物理現(xiàn)象進行分析和推理，獲得結論。可以將該題歸納至“新版課程標準”中科學思維水平等級的“水平2”。例如，該題涉及的“熟悉的問題情境”：反沖運動和火箭?；鸺巧钪谐Ｒ姷奈锢砟Ｐ?，利用反沖的原理，靠噴出氣流的反沖作用而獲得巨大的速度。題干中模型火箭噴出的燃氣作用于模型火箭過程，由于時間很短滿足動量守恒的條件，模型火箭所獲得的動量大小等于噴出燃氣的動量大小，即：

p=mv=0.05 kg×600 m/s=30 kg·m/s

案例2 [2015·全國Ⅰ·35（2）]如圖1所示，在足夠長的光滑水平面上，物體A、B、C位于同一直線上，A位于B、C之間。A的質量為m，B、C的質量都為M，三者均處于靜止狀態(tài)?，F(xiàn)使A以某一速度向右運動，求m和M之間應滿足什么條件，才能使A只與B、C各發(fā)生一次碰撞。設物體間的碰撞都是彈性的。

分析 通過審題，該題可以歸納至“新版課程標準”科學思維水平的等級“水平3”；題目內容屬于學生熟悉的問題情境——碰撞中動量守恒定律的應用；根據(jù)需要選用恰當?shù)奈锢砟Ｐ徒鉀Q簡單的物理問題——彈性碰撞；能對常見的物理現(xiàn)象進行分析和推理，獲得結論并作出解釋。

根據(jù)題意，足夠長的光滑水平面上，A以某一速度向右運動，求m和M之間應滿足什么條件，才能使A只與B、C各發(fā)生一次碰撞（設物體間的碰撞都是彈性的）。

首先，是A、C之間發(fā)生彈性碰撞，一個動的碰撞一個靜的發(fā)生彈性碰撞，存在一個動量守恒和一個機械能保持不變，聯(lián)立可求出碰后A、C的速度表達式。根據(jù)條件要使A、C碰后，A還要與B碰撞， 因此A的速度必須反向向左，C的速度向右。

設A運動的初速度為v0，A向右運動與C發(fā)生碰撞，

案例3 [2016·全國Ⅰ·35（2）]某游樂園入口旁有一噴泉，噴出的水柱將一質量為M的卡通玩具穩(wěn)定地懸停在空中。為計算方便起見，假設水柱從橫截面積為S的噴口持續(xù)以速度v0豎直向上噴出；玩具底部為平板（面積略大于S）；水柱沖擊到玩具底板后，在豎直方向水的速度變?yōu)榱?，在水平方向朝四周均勻散開。忽略空氣阻力。已知水的密度為ρ，重力加速度大小為g。求：

（1）噴泉單位時間內噴出的水的質量；

（2）玩具在空中懸停時，其底面相對于噴口的高度。

分析 該題需要將較復雜的實際問題中的對象和過程轉換成物理模型，需要學生能在新的情境中對綜合性物理問題進行分析和推理，獲得正確結論并作出解釋，具有一定的新穎性。屬于“新版課程標準”中科學思維進階表現(xiàn)水平的較高等級“水平5”。

成功解答該題需要學生能建立柱狀模型，能應用動量定理解題，一方面能構建卡通玩具受力平衡的模型，進而分析其受力的來源，“順藤摸瓜”找到水流柱對卡通玩具的反沖力。另一方面是應用模型轉化的思維，因為噴射的水流本身不是固定形狀，學生需要將其轉化為某一段時間內噴射的水流形成的水流柱對卡通玩具的平均作用力（隱含的時間參數(shù)可以消除），應用動量定理進行分析和推理，從而獲得結論。

此外，該題對于“連續(xù)”質點系發(fā)生持續(xù)作用的考查，需要學生具有這樣的進階思維：物體動量（或其他量）連續(xù)發(fā)生變化這類問題需要正確選取研究對象，即選取很短時間Δt內動量（或其他量）發(fā)生變化的這部分物體作為研究對象，該題中需要建立如下的“柱狀模型”：在時間Δt內所選取的研究對象均分布在以S為截面積、長為vΔt的柱體內，這部分質點的質量為Δm=ρSvΔt，以這部分柱狀體為研究對象，研究它在Δt時間內動量（或其他量）的變化情況，再根據(jù)動量定理（或其他規(guī)律）求出有關的物理量。

模型是抽象的，尤其是在新的物理問題情境中構建模型、轉換模型，對于學生具有相當?shù)碾y度。題目的復雜性往往不在于該題本身有多難，而在于其新的問題情境，這種情境對學生而言通常是新穎的、陌生的，需要學生具備遷移應用、創(chuàng)新的問題解決能力。

3 結 語

科學思維作為物理學科核心素養(yǎng)的重要組成部分，即使在以往的高考試題中也較為突出?！靶掳嬲n程標準”明確提出科學思維水平及其表現(xiàn)內容，將作為未來考試命題的重要依據(jù)。近年來，相關研究[3-4]較多地關注習題教學中的科學思維進階應用，與之不同的是，本文通過對高考實例進行分析發(fā)現(xiàn)，盡管考試命題內容所呈現(xiàn)出的科學思維水平不一樣，但把握準在復雜問題情境中的研究對象，以及將其順利轉化為熟悉的物理模型，就能在新的物理情境中對綜合性物理問題進行準確分析和正確推理，就能逐步解決物理問題。這需要一方面在物理教學中注重培養(yǎng)學生對生活中新技術應用的關注意識，以適應各種“新情境”；另一方面要熟悉各種物理模型及其適用條件，力爭達到舉一反三、觸類旁通的靈活應用程度。

參考文獻：

[1][2]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[3]卞志榮.基于解題習慣和思維方法進階下的習題課變式教學——以“桿球連接體”為例[J].物理教師，2018，39（1）：88-92.

[4]曹會.巧設實驗模型主線 凸顯思維的“有效進階”——“測定電源的電動勢和內阻”復習課回眸[J].物理教師，2017，38（12）：40-44.

（欄目編輯 李富強）