抓住基本模型 注重思维整合———以京师AI联考试题为例谈物理模型考题的特点和复习策略

◇ 北京 吴爱兄 张国玉 宋金萍(特级教师)

(作者单位:北京市陈经纶中学)

2016年以来,国家考试中心提出了“一核四层四翼”的命题思路,希望围绕一个核心借助四层四翼来构建高考命题体系.其中四层是:必备知识、关键能力、学科素养和核心价值.因此,以核心主干知识为载体,突出考查学生科学思维能力的考题成了近几年高考试题的主旋律,对学科中基础模型的多角度设问和对典型模型的创新思考成了近几年高考题的最大特点.京师AI联考试题在这方面也做了许多尝试.本文以联考试题为例谈谈这类考题的特点和复习策略.

1 基础模型的多角度设问

一直以来,高考选择题主要是以物理主干知识作为命题的重点,如匀变速直线运动、匀速圆周运动、牛顿运动定律、动量定理、动能定理、功能关系、万有引力定律、电势差与电场强度的关系、电磁感应定律、楞次定律、法拉第电磁感应定律等.考试大纲的必考内容中有一级考点43个,二级考点29个.而高考选择题共8道,因而想在同一情境考查多个考点,就需要从多个角度设问,这是近几年众多考题的一大特点.

【原题呈现1】如图1所示,在竖直向下的磁感应强度为B 的匀强磁场中,两根足够长的光滑平行金属导轨固定在水平面内,相距为l,电阻不计.轨道左侧连接一阻值为R 的定值电阻.质量为m、电阻不计的导体棒ab 垂直放在导轨上,施加大小为F 的水平恒力,使导体棒ab 从静止开始沿导轨运动,经过时间t,导体棒通过的位移为x,速度为v,整个运动过程中导体棒ab 与导轨接触良好.关于这一过程,下列说法正确的是( ).

图1

A.导体棒ab 做匀加速直线运动

B.导体棒ab 的动能变化量为Fx

C.导体棒ab 的动量变化量为Ft

【总结反思】本题考查的是学生熟知的电磁感应中的单杆切割模型,4个选项涉及力和运动、功和能、动量和冲量、能量守恒和焦耳定律等多个考点.要想正确解答此题,一方面要准确理解物理规律的确切含义和适用条件,能够鉴别关于概念和规律的似是而非的说法.另一方面也要尝试从多个角度来分析基本模型,建构物理规律之间的内在联系.

【复习启示】认真研究历年高考题我们会发现,高考考查的具体知识、情境、处理问题的方法和知识载体在不断变化,但是对于核心概念、经典情境、思维策略和五种能力的考查是永恒不变的.因此,对于同一种情境的多角度考查总是以典型模型为载体,以基本思维策略为线索,考查学生对核心概念、规律的深入理解.所以在二轮复习中,我们要注意以下策略.

1)准确把握物理规律之间的内在联系

在高中物理中,我们学习认识了众多物理概念、定理、定律,但归纳起来,经典物理学中的核心规律只有6个.它们是力的瞬时作用规律、力对时间积累规律(动量定理)、力对空间积累规律(动能定理)、动量守恒定律、机械能守恒定律和能量守恒定律.它们的关系如图2所示.

其中,前3个是针对单质点或可视为单质点的质点系的规律,后3个是针对系统的规律.每一种基本物理模型都可以运用这些核心规律加以描述,所以在后期的复习中应转变以掌握知识为主的学习观念,注重知识体系的构建,特别重视在构建过程中物理思维能力的培养,领会物理学的思想方法.

图2 经典牛顿力学规律体系

2)熟练掌握典型问题的思考路径

物理学中的每一种规律在运用时都应遵循一定的思维操作规范.例如我们处理例题中电磁感应综合问题的一般思维流程如图3所示.

图3

熟练掌握典型问题的思考路径其实是帮我们梳理思考问题的切入点和建立解决问题的方法,有助于我们在分析新情境问题时尽快厘清问题的关键点.

3)关注经典问题的变式思考

变式是指在认识事物属性的过程中,不断变更所提供材料或事例的呈现形式,使本质属性保持稳定而非本质属性不断变化,从而产生新的问题情境.用不同的方法去思考,加深对于概念的理解,高考试题中对经典问题的解决常常需要采取“变式”的思维方式.

例如,对于电磁感应的单杆切割就存在表1中的三种变式,每一种变式的呈现形式不同,其运动情境不同,但是处理问题的基本策略却是相同的.

表1

2 典型情境的创新思考

随着课程改革的不断推进,高考考查的方向也在不断变化,力求使不同层次的学生都有展现自我的机会.试题注重基础性,低起点、多台阶,强调对物理基本概念的准确理解,注重对主干知识和基础知识的考查;试题注重创新性,呈现方式新、考核角度新.这种试题往往从学生的熟知情境出发,考查学生的迁移创新能力.

【原题呈现2】氦核的质量是氘核质量的2倍,氦核所带电荷量是氘核所带电荷量的2 倍,氦核以9.0×102m·s－1的速度向静止的氘核飞去.由于库仑斥力,它们之间的距离缩小到某一极限后又被弹开,然后各自以新的速度做匀速直线运动.设作用前后它们的轨迹都在同一直线上,根据以上信息,判定下列说法正确的是( ).

A.它们相距最近时,氦核与氘核的速度分别为0、1800m·s－1

B.它们相距最近时,氦核与氘核的速度分别为600m·s－1、600m·s－1

C.它们弹开后,氦核与氘核的速度分别为300m·s－1、1200m·s－1

D.它们弹开后,氦核与氘核的速度分别为100m·s－1、1600m·s－1

设氘核质量为m,氦核质量为2m,氦核的初速度v＝9.0×102m·s－1.由它们之间的距离缩小到某一极限即它们相距最近,二者共速.根据动量守恒定律可知2mv0＝(2m＋m)v共,代入数据可得v共＝600m·s－1,可知B 正确.两者碰撞为弹性碰撞(弹性碰撞模型),分开后有2mv0＝2mv1＋mv2,代入数据得v1＝300m·s－1,v2＝1200m·s－1,可知C正确.

【总结反思】本题的“新”在于将碰撞模型与微观粒子间的相互作用相结合.动量守恒定律是高中阶段的重要规律,学生熟悉力学情境下的碰撞问题,但多数同学不能把它迁移到微观粒子间的相互作用中,缺少的是知识之间的并联建构和系统整合能力与迁移应用能力.

【复习启示】这类试题“新”在哪里? 一是熟悉情境的新颖设问;二是熟悉情境的深度分析.这就要求我们在后期复习中对典型情境进行分析并归类.

1)关注跨主题的物理模型整合

二轮复习的重点是“整合”.整合什么? 首先要整合知识,突出主干知识;其次要整合方法,突出常规方法;更重要的是整合思路,突出常规思路.这就要求我们对跨主题的知识进行横向梳理.例如针对动量守恒的情境,复习时就可以将不同主题下的动量守恒问题做一梳理:力学主题下的碰撞模型、弹簧模型、板块模型、人船模型;电学主题下的仅受库仑力的两孤立点电荷模型、电磁感应中的双杆模型;近代物理主题下的衰变、裂变模型等.通过这样的横向梳理可以使我们的认知结构清晰化、概括化和系统化,便于知识之间的迁移应用.

2)关注同一主题的不同规律

跨主题的模型归类,更多的是培养思维的发散性,而同一主题的不同归类则培养思维的严谨性与深刻性.例如,动量守恒的碰撞模型与板块模型在不同的问题情境中遵循的物理规律是不同的.如图4的4个情境虽然都是动量守恒却各有差异.

图4

在后期的复习中我们要注重对同一主题的不同规律进行纵向梳理,如图5所示就是对碰撞、反冲、爆炸模型的梳理.

图5

这样的对比分析和综合比较有利于我们牢固并完善掌握所学知识,加深对规律的理解,拓展处理问题的策略.

总之,高三物理复习应该改变传统的复习方法,避免强调题海战术、对知识点的僵化式复习,放弃偏难怪的题目.注重对题型的整理归类,对基本模型的提炼,注重对各类题目核心考点的提炼,这样的复习将有助于提升学生分析问题、解决问题的能力,提高思维水平,从而提高复习效率.