高中物理创新模型的特征和教学策略初探

陈海亮

摘要：物理学是研究物质结构、相互作用和运动规律的学科，在考题中命题者往往利用创新模型鉴别学习者的物理能力和学科核心素养。那么创新模型有什么特点，学习者需要具备什么样的物理思维品质和学科素养，是我们需要研究的问题。

关键词：创新模型;思维品质;学科素养;教学策略

第一部分：创新模型的特征和分类

1.熟悉模型的新挖掘

【例1】如图1，小车的上面固定一个光滑弯曲圆管道，整个小车（含管道）的质量为2m，原来静止在光滑的水平面上。今有一个可以看做质点的小球（质量为m，半径略小于管道半径），以水平速度v从左端滑上小车，小球恰好到达管道的最高点，然后从管道右端滑离小车。设重力加速度为g，关于这个过程，下列说法正确的是（    ）

A.小球滑离小车时，小车回到原来位置

B.小球滑离小车时小球的速度大小为

C.车上管道中心线最高点的竖直高度为

D.小球滑到最高点的过程中，小車的动量变化量大小是

【解析】根据受力分析，系统水平方向动量守恒，全程系统机械能守恒，由此可见小球全程为弹性碰撞，那么根据关系式 ， 得 ， ，代入数据得 ， ，那么选项B正确，但这与小球穿越管道后的情景是矛盾的，若穿越后车速向前，则球速也一定向前，且大于车速。其实动碰静的弹性碰撞还有一组解，那就是碰完后各自回到起始速度，即车的速度为 ，球的速度为 ，此解也符合前面的动力学分析过程。

【总结】从穿越来看，此模型与熟悉的子弹打木块类似，但是该过程无摩擦生热;从碰撞来看，此模型与弹簧参与的弹性碰撞类似，但是该过程发生了穿越。这类模型的特点是命题者在常见模型下进行了新的挖掘，让学生产生认知习惯的冲突，考察学生深层次多角度理解物理规律的能力。

2.多种熟悉模型的组合

【例2】（2019全国1卷21题）在星球M上将一轻弹簧竖直固定在水平桌面上，把物体P轻放在弹簧上端，P由静止向下运动，物体的加速度a与弹簧的压缩量x间的关系如图2中实线所示。在另一星球N上用完全相同的弹簧，改用物体Q完成同样的过程，其a-x关系如图2中虚线所示，假设两星球均为质量均匀分布的球体。已知星球M的半径是星球N的3倍，则（）

【总结】利用弹簧振子将万有引力与重力关系、竖直弹簧振子的对称运动和变力做功（F-x面积为该力的功）加载到一个模型里面，仅仅只用一个函数图进行呈现，无实物情景图。这种混合模型的变化组合角度是很多的，创新性较大，不仅需要学生对单个模型非常熟悉，还需要学生具备短时间内剥离出每一个模型已知和未知的关系，从而简化问题的能力。

3.打破常规完全创新的模型

【例3】如图4，在两个等量正点电荷连线的中垂线上，有a、b两个点电荷绕O点做匀速圆周运动，且a、b与O始终在一条直线上。点电荷的重力不计，忽略a、b间的库仑力，则a、b两个点电荷的比荷之比为多少？

【解析】根据匀速圆周运动合力指向O点，则运动电荷必为负电荷，根据对称，两电荷的间距为2d，对a由牛顿第二定律有 ，角速度 相同，整理式子得 ;同理对b有 ，则a、b两个点电荷的比荷之比为 。

【总结】等量同种电荷构成的电场模型一般都限定于此平面内的受力、运动和功能问题。此题出现了匀速圆周运动，属于打破常规完全创新的模型，需要学生抓住问题的核心——匀速圆周运动合力提供向心力这个动力学本质，然后根据受力特征确定向心力，从而根据圆心位置逆向探索出运动学的空间立体结构，需要学生有非常强的学科能力。

第二部分：培养学生正确的物理思维品质和具体应对策略

学生需要培养以下思维品质：选出合适的研究对象，将对象抽象为质点、杆、光线、一段波形、封闭系统等理想化模型;然后利用该模型相关的概念和规律去描述该对象所在的状态和物理过程;最后选择最合适的物理角度利用物理概念或者公式将问题与条件连接起来，此处需要学生多从数学角度探索背后的物理关联。

针对以上三种创新模型的特征，教师可帮助学生掌握以下应对策略。

1.遇到熟悉模型新挖掘，利用好熟悉模型的切入点，寻找与熟悉模型的差别，思考原有模型所对应知识的局限性，从而寻找突破口。切莫把问题想象成一个彻底全新的模型，而丢弃熟悉的部分。

2.遇到组合模型，首先要抽离出研究对象，利用简图建立理想模型辅助思考，确定各个问题间的核心连接点，求解出核心物理量，选择合适的物理状态和物理过程然后各个击破。

3.面对完全陌生的模型，一定要从熟悉的部分入手，利用简图辅助想象出完整的物理过程或者结构，以问题为抓手，抽象出模型后，将其与常规模型进行对比。切莫做无意义的展开和联想，将问题泛化，从而脱离主旨。

物理学特征决定了物理思维品质和应对策略，教师需要在教授物理过程中坚持培养学生具备这样的品质，养成正确的思维品质是处理创新物理模型的基石。

参考文献：

[1]《普通高中物理课程标准2020年修订版》

[2]《更高更妙的物理》编著：杨榕楠 浙江大学出版社