基于物理認知規(guī)律的解題思路

2021-08-25 06:34:20樊祥民

物理通報 2021年9期

樊祥民黃磊

(菏澤醫(yī)學?？茖W校物理教研室山東菏澤 274000)

縱觀近年來的高考物理試題，命題突出基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性的特點[1]，重點考查學生的知識、能力和科學素養(yǎng).尤其是高考物理壓軸題，問題情境復雜、思維性強，注重物理過程分析，要求學生具備較強的理論聯(lián)系實際的能力、邏輯推理能力和科學思維技能.

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學生在面對高考題型中綜合性問題(包括壓軸題)時，普遍存在幾乎相同的解題困難，主要表現(xiàn)在：

(1)對問題不知從何下手，找不到分析問題的切入點，找不準思維的著力點.

(2)對問題不能整體性把握，思考缺乏連續(xù)性，無法完整解決問題[2].

學生之所以會存在這樣的問題，一些研究者會做出各種分析.文獻[3]認為學生尚不能用一種綜合的“思維方式”來分析和解釋問題情境，不能把頭腦中的知識結(jié)構(gòu)與實際問題聯(lián)系起來；文獻[4]認為學生無法理清復雜問題整體和部分的關(guān)系，不能恰當找出研究對象，對問題中的物理過程分析不透；文獻[5]在研究中指出，學生缺乏自覺地遵循物理法則來思考問題和按照物理學嚴密的邏輯思維方式來處理問題的能力；文獻[6]研究表明，學生在不同問題情形中解釋、運用物理知識的能力不足，尚不能把所學理論與現(xiàn)實世界聯(lián)系起來，不理解合乎物理學要求的解釋應(yīng)該由什么構(gòu)成.

文獻[7]從物理認知規(guī)律出發(fā)，指出在物理教育教學中，如果能培養(yǎng)學生有意識地遵循物理認知規(guī)律去學習和思考，能夠幫助學生建立完整的物理知識體系和清晰的物理圖像，防止其知識系統(tǒng)碎片化，對知識會有較為全面的把握.學生做題時會得心應(yīng)手，也會更靈活、更準確.

綜上所述，我們嘗試運用物理認知規(guī)律，探索解答綜合性物理問題的解題思路，以便找到解決上述問題的路徑.希望本文的研究對從事物理教學的教師和學習物理的學生有所啟發(fā).

1 物理認知規(guī)律

文獻[8]根據(jù)物理學家在實踐中的嘗試總結(jié)歸納出一個物理認知規(guī)律模型，如圖1所示.

從圖1可以看出，物理認知規(guī)律由11個具體認知過程(步驟)構(gòu)成，每一個認知過程(步驟)中有各自采用的主要物理方法.其中，過程1～5屬于實驗物理認知階段，過程6～8屬于理論物理認知階段，過程9～11屬于應(yīng)用物理認知階段，這3個物理認知階段構(gòu)成了一個完整的系統(tǒng)化的物理認知，應(yīng)用物理認知是實驗物理認知和理論認知的積累和升華.做物理題對應(yīng)的是應(yīng)用物理認知階段，體現(xiàn)的是應(yīng)用物理認知能力.如果學生實驗物理認知、理論物理認知沒有很好地建立起來，學生做高考題型中綜合性問題的時候就會遇到困難.

圖1 文獻[8]物理認知規(guī)律模型

盡管物理試題設(shè)置的問題情境各有相同，由于物理認知的規(guī)律是不變的，因此每道物理題的解題思路應(yīng)該具有共性.從題目描述的物理現(xiàn)象開始，圍繞物理現(xiàn)象將所需的實驗物理認知和理論物理認知有機整合在一起，并采用合適的物理表達形式(如公式、圖像等)將其中的物理過程一一表達出來，從而形成一個較為固定的綜合思維方式來解題.可以說，按照物理認知規(guī)律指導做題，能夠起到以不變應(yīng)萬變的效果.當面對真實和復雜的實際問題時，運用物理認知規(guī)律，可以清晰而有邏輯地將所學理論知識與實際問題聯(lián)系起來.

基于對穆良柱物理認知規(guī)律模型的理解，我們總結(jié)并歸納出解答高考題型中綜合性問題的解題思路.

(1)閱讀題干，采用分類的方法，確定題目所描述的物理現(xiàn)象屬于哪一類物質(zhì)運動，如機械運動、電磁運動、分子熱運動、原子和原子核運動等.

(2)選擇特定的研究對象.當題目涉及多個研究對象時，按照最簡化方法，每次選擇的研究對象要具體、單一.

(3)按照抓住主要因素、忽略次要因素的原則，進一步明確圍繞特定研究對象物理現(xiàn)象的物理模型[2].

(4)運用所學知識，確定描述特定研究對象運動所需的物理量.

(5)根據(jù)題目要求及所給條件(必要時，會運用理論知識做出推斷)，圍繞所確定的物理量，結(jié)合運動過程和物理模型，運用所學的相關(guān)物理規(guī)律，采用合適的表達式或圖像將各個物理量之間的關(guān)系一一表達出來.

(6)求解物理量.

下面以2020年高考理綜全國卷Ⅰ第25題為例，詳細說明上述解題思路的具體應(yīng)用.

2 基于物理認知規(guī)律解題思路的應(yīng)用舉例

2.1 原題呈現(xiàn)

在一柱形區(qū)域內(nèi)有勻強電場，柱的橫截面積是以O(shè)為圓心、半徑為R的圓，AB為圓的直徑，如圖2所示.質(zhì)量為m、電荷量為q(q>0)的帶電粒子在紙面內(nèi)自A點先后以不同的速度進入電場，速度方向與電場的方向垂直.已知剛進入電場時的速度為零的粒子，自圓周上的C點以速率v0穿出電場，AC與AB的夾角θ=60°.運動中的粒子僅受電場力作用.

(1)求電場強度的大小；

(2)為使粒子穿過電場后的動能增量最大，該粒子進入電場時的速度應(yīng)為多大？

(3)為使粒子穿過電場前后動量變化量的大小為mv0，該粒子進入電場時的速度應(yīng)為多大？

圖2 試題原圖

2.2 解題思路分析

閱讀題干，初步地進行整體分析：題干所描述的物理現(xiàn)象是帶電粒子在電場中的運動，所涉及的研究對象只有一個物體：質(zhì)量為m、電荷量為q(q>0)的帶電粒子(根據(jù)題目信息，粒子的重力忽略不計).針對選擇的特定研究對象(即帶電粒子)，如圖3所示，粒子沿x軸方向做勻速直線運動，沿y軸方向(即電場方向)做初速度為零的勻加速直線運動.因此，帶電粒子在電場中做類平拋運動.根據(jù)粒子沿x軸方向做勻速直線運動的速度大小不同，帶電粒子最終會在弧DBC上任意位置穿出電場(可以推斷出不包含D點).

圖3 試題分析圖

(1)結(jié)合前面的整體分析，當粒子沿x軸方向的速度為零時，粒子只沿y軸方向(即電場方向)做初速度為零的勻加速直線運動.運用中學物理教材中有關(guān)勻加速直線運動的知識，確定描述粒子做勻加速直線運動的物理量有速度(初速度v、末速度v′)、加速度(a)、位移(x)和時間(t).并由題意可知：v=0，v′=v0.如圖4所示，由幾何關(guān)系可知AC=R,即x=R.

圖4 試題(1)圖

根據(jù)運動學公式可得

v′=v+at

由牛頓第二定律可得

F=ma

圖5 試題(2)圖

(3)與第(2)問比較，可以發(fā)現(xiàn)，第(3)問要求解的問題與第(2)問相同，僅僅是前提條件發(fā)生了改變，由“為使粒子穿過電場后的動能增量最大”改變?yōu)椤盀槭沽Ｗ哟┻^電場前后動量變化量的大小為mv0”.因此第(3)問的解題思路與第(2)問的解題思路基本一致，這里只做簡單敘述.假設(shè)粒子在弧DBC上某位置E點穿出電場，如圖6所示.

圖6 試題(3)圖

3 結(jié)束語

高考題型中綜合性問題通常是把一個或多個研究對象設(shè)置在特定的條件下并提出一系列相關(guān)問題，無論問題情境多么復雜，對同一類物理現(xiàn)象，其遵循的物理規(guī)律是不變的.運用基于物理認知規(guī)律的解題思路，可以幫助學生有條理、有方法、有依據(jù)、有步驟地分析問題所呈現(xiàn)的物理現(xiàn)象，形成有選擇性、有方向性的思維合力，然后運用所學的物理規(guī)律規(guī)范地解釋、表達現(xiàn)象.學生們在解決綜合性物理習題(試題)的時候，往往只注重用公式演算得出結(jié)論，忽視了對物理現(xiàn)象的分析和物理模型的建立[2]，做題的時候依賴以前的做題經(jīng)驗[7]，以至于面對一些解題思路完全相同、僅知識條件和問題情境不同的習題(試題)的時候，學生們卻不能很好地完成解答[9].基于物理認知規(guī)律的解題思路，可以有效幫助學生克服以上問題.

學生在日常的學習和訓練的過程中，運用物理認知規(guī)律的解題思路指導做題的另一個好處是：當題目做錯的時候，該解題思路可以幫助學生分析哪一步出了問題，并且可以具體到是知識上的錯誤還是邏輯推導上的錯誤[7].