通过实验探究达成物理建模的教学探讨
——以一道高考难题的突破为例

李春来

(广东省深圳市红岭中学高中部，广东 深圳 518049)

综观近年高考全国理综物理试题,显著特征是“注重体现学科本质,强调对学科核心素养的考查”．其中2017年全国理综Ⅱ卷第21题,是一道公认的难题,即使在后来的课堂教学中,它也是不易突破的难点．那么,该题难在哪里,为什么难,怎样突破难点,它给高中物理课堂教学带来的启示是什么,等等,这些都是值得广大教师探寻和反思的地方．下面以该题在课堂教学中的突破为例,浅谈通过实验探究实现物理建模的方法．

1 试题回放

某学生自制的简易电动机示意图如图1所示．矩形线圈由一根漆包线绕制而成,漆包线的两端分别从线圈的一组对边的中间位置引出,并作为线圈的转轴．将线圈架在两个金属支架之间,线圈平面位于竖直面内,永磁铁置于线圈下方．为了使电池与两金属支架连接后线圈能连续转动起来,该学生应将

(A) 左、右转轴下侧的绝缘漆都刮掉.

(B) 左、右转轴上下两侧的绝缘漆都刮掉.

(C) 左转轴上侧的绝缘漆刮掉,右转轴下侧的绝缘漆刮掉.

(D) 左转轴上下两侧的绝缘漆都刮掉,右转轴下侧的绝缘漆刮掉.

[本题答案选(A)、(D)]

图1 电动机示意图

2 试题分析与学生困惑

2.1 有效考查学科核心素养的好题

作为选择题中的压轴题,题干中没有任何数据,也没有明确地指出要考查的知识点,给出的是一个实际问题——课外小制作“自制简易电动机”．可是绝大部分学生没有做过这个“小制作”,该题到底在考什么?

教育部考试中心的“试题分析”指出,该题“考查推理能力和实验能力,考查内容为牛顿运动定律、安培力、直流电动机的工作原理、电路的基本知识”,是“将生活、生产实际等内容纳入到情景设计中,考查学生将实际问题转化为理想模型的能力”．另外,本题告诉我们,实验能力也可以以选择题的形式来考查．

2.2 学生的困惑

结合后来的课堂教学,笔者对该题进行了深入的研究,访谈了一定数量不同层次的学生,调查和分析学生不能正确解答题目的原因．结果显示,学生已经知道和掌握了解答该题所需要用到的物理概念和物理规律,在解答常规习题中能够灵活运用．但对于本题,大部分学生反映“看不懂题”、“不知道题目在说什么”,也就是说大部分学生面对该题呈现出“毫无思维能力和无法入手”,本质上是学生无法有效地建立起直流电动机模型,更谈不上深入分析和解答问题了．

具体地说,学生的困惑有:什么是漆包线;图中的线圈是怎样缠绕的;为什么磁铁只有一个磁极;线圈周围磁场的方向是什么样子的;为什么要刮掉转轴上的漆包线;通电情况下,线圈转动的动力源是什么;为什么线圈不能持续地加速转动下去;电动机与发电机有什么区别,等等．

3 落实核心素养,突破高考难题

高考试题的特点和变化趋势是中学课堂教学的风向标,在教学中如何有效地培养学生的综合能力,如何落实核心素养呢?

3.1 紧扣物理观念,认识简易电动机静态物质模型,体会建构物理模型的一般方法

学生不仅要知道、理解物理知识,而且要将所学的各个物理知识整合起来,形成对物理世界原理性、规律性的认识,即物理观念．客观上,学生的生活实际经验和动手实验机会很少,更多的是纸上谈兵,综合能力弱,所以导致对于简易电动机结构模型不能有效地建立起来．鉴于此,笔者通过三个展示环节,让学生观察实物,分析其物理特征,从而帮助学生建模．

图2 漆包线

展示1:教师展示粗细不同的漆包线实物,如图2．让学生认识到涂有绝缘漆的铜导线是不导电的,绝缘漆的作用是使多匝线圈的各匝之间接触但绝缘,漆包线在连接到电路中之前需要先刮掉绝缘漆．

展示2:教师展示强磁铁,让学生体会到强磁铁体积很小却具有很强的磁性,如图3、图4所示．并经过分析得出,强磁铁磁极正上方近似看作匀强磁场,即可看做线圈处于竖直向上的匀强磁场中．也可以用蹄形磁铁替代题目中的强磁铁,线圈处于蹄形磁铁的两极之间．

图3 支架和强磁铁 图4 线圈和蹄形磁铁

展示3:教师展示导电的金属支架、电源、导线,分析原题图中通电后的线圈各边在磁场中所受安培力的方向,引导学生分析线圈转动的动力来源．

通过一系列的实物展示和分析,让学生认识物质实体,体会建构物理模型的一般方法,即物理建模过程就是把实际的情景或问题,通过抓住主要因素,忽略次要因素,排除无关因素,将其简化为容易分析和研究的理想物理模型．

3.2 立足科学思维,进行深入的理论探究,尝试构建电动机的运动过程模型

图5 木质的线圈模型

为了直观方便地探究,教师事先制作一个大的替代线圈的木质模型,长40 cm、宽25 cm,如图5所示．

探究1:如果将线圈的左、右转轴上下两侧的绝缘漆都刮掉,分析线圈的运动情况．线圈中的电流方向是不变的,左右两侧导线受到的安培力没有转动效果;线圈上下边导线受力水平、方向相反,具有使线圈转动的力矩;在前1/4周内线圈加速转动,第二个1/4周内线圈减速转动,即使忽略摩擦阻力,由对称性可知,线圈只能在半周范围内往复摆动,无法实现线圈完整持续的圆周运动．

探究2:如果只将线圈的左、右转轴下侧的绝缘漆都刮掉,通过分析可知,通电后线圈在第1个1/4周内线圈加速转动,第2个和第3个1/4周内线圈上无电流而不受安培力,但由于惯性会继续转动,第4个1/4周内安培力使线圈继续加速转动．这样线圈就持续地转动下去了.

探究3:线圈是否会持续地加速转动下去,即越转越快呢?首先,转轴较光滑,线圈转动时受到的摩擦阻力可以忽略不计．其次,线圈低速转动时,空气阻力较小,可以忽略;线圈高速转动时,会有较明显的阻力,这是影响线圈持续加速转动的一个因素．第三,线圈在转动过程中,切割磁感线,会产生反电动势,在稳恒电源的条件下,反电动势会阻碍电流的持续增大．最终,线圈的转动会趋于一个稳定的角速度而近似匀速转动．

探究4:引导学生分析电动机、发电机在构造和工作原理上的联系与区别．电动机是因电而动,是电能转化为机械能的过程;常见的发电机是因动而电,是机械能转化为电能的过程．虽然两者都是线圈绕垂直于磁场的轴转动,但能量转化的方向恰好相反．通过引导学生对比交流发电机和直流电动机的联系与区别,可以帮助学生更好地理解相关的物理概念和规律,加强对模型本质的认识．

3.3 进行实验探究,学生亲自制作简易电动机

理论分析的正确与否需要经过实践的检验,理论联系实际才是做学问的科学态度．教师给学生提供相关的器材,指导学生以小组为单位进行缠绕线圈、制作支架、刮掉转轴上的绝缘漆、调试改进等等,并让学生观察题目中给出的4个不同选项方案的真实实验效果,让学生体验到动手实验操作的快乐、成功的喜悦．让学生知道亲自动手制作和实验尝试不同方案,也是研究物理问题的一种方法．

操作建议:取线圈长宽约为4 cm×3 cm,也可以尝试用不同尺寸的线圈,如图6所示.考虑到转轴的支撑强度,漆包线选用直径为1 mm的为宜;线圈缠绕2～3匝;可以用稳压电源串联一个小电珠后接到支架上,给简易电动机供电,这时电动机半周通电、半周不通电的特点就通过小灯泡的周期性闪烁体现出来了．如图7所示的装置就是选用了14 V稳压电源和额定电压为12 V的小电珠,效果很好．

图6 不同尺寸的线圈

图7 电路实物图

3.4 渗透科学态度和责任,感悟物理学习的方法和躬身实践的意识

常言道： “纸上得来终觉浅,觉知此事要躬行”．通过引导学生对这道试题的研究,让学生真正认识到物理研究绝不只局限于纸面上的计算,细心观察和亲自动手实践也是重要的方式;让学生明白“会做卷面上的习题并不代表学好了物理,会解决生活中的实际问题、学以致用才是根本”．在教学中,教师要重视培养学生探究生活、生产、科学技术中物理现象与原理的兴趣,提高动手能力、创新意识,形成正确的科学态度和责任．

4 实验探究是培养学生物理模型建构能力的重要途径

普通高中《课程标准》(2017年版)对物理课程培养学生解决实际问题和建模能力的要求提到了历史新高度．例如《课程标准》在“课程目标”中指出高中物理课程培养目标包括“能够解释自然现象和解决实际问题”“具有建构模型的意识和能力”等;学业质量水平的5个等级描述中,都有对“物理建模”水平的描述,如学业质量水平4中强调“能将实际问题中的对象和过程转换成所学的物理模型”等等．“物理模型”或“物理建模”一词由旧课标的隐性蕴含到新课标的显性提出,它是物理核心素养的具体要求．

通过本文所述的运用物理实验有效突破高考难题的教学案例可知,应用物理知识解决具体问题应结合实际情境,创设有趣的物理实验能够激发学生学习物理的积极性,能够帮助学生有效地建构物理模型．所以,教学中应当重视科学探究,开发物理实验,培养建模能力,从而落实学科核心素养的发展．