何德強(qiáng)

(北京市第八十中學(xué) 北京 100102)

論證說(shuō)明題是近年來(lái)物理新高考熱衷的題型，需要考生運(yùn)用證據(jù)對(duì)所研究的問(wèn)題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測(cè)，并建立證據(jù)與解釋之間的關(guān)系，是培養(yǎng)科學(xué)思維能力的重要題型.學(xué)生對(duì)這類看似明知故問(wèn)的題型大多還不太適應(yīng)，在此筆者基于高中物理核心素養(yǎng)的要求，并結(jié)合近年來(lái)高考中的這類題目進(jìn)行特點(diǎn)分析，總結(jié)解答此類題的思路和方法.

1 基于核心素養(yǎng)的要求探究推理論證的要素

教育部考試中心的程力和李勇在《中國(guó)考試》(2019年第12期)發(fā)表文章“基于高考評(píng)價(jià)體系的物理科考試內(nèi)容改革實(shí)施路徑”中對(duì)物理科等級(jí)考試提出理解能力、推理論證能力、模型建構(gòu)能力、實(shí)驗(yàn)探究能力、創(chuàng)新能力5種新的關(guān)鍵能力.5種關(guān)鍵能力既是對(duì)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)鍵能力的具體化，也是對(duì)以前物理科考試大綱中提出的物理能力的繼承與發(fā)展.理解能力、推理論證能力、實(shí)驗(yàn)探究能力分別是對(duì)以前考試大綱中的理解能力、推理能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ恼虾蜕A，模型建構(gòu)能力和創(chuàng)新能力則是根據(jù)物理教學(xué)實(shí)際和時(shí)代發(fā)展要求提出的新的能力，原考試大綱中提出的分析綜合能力和應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問(wèn)題能力的相關(guān)要求已經(jīng)融入新的關(guān)鍵能力表述中[1].可以看出推理論證能力是高考的主要方向.

1.1 推理論證能力是核心素養(yǎng)與物理考核的關(guān)鍵能力

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版)對(duì)物理核心素養(yǎng)作了全面細(xì)致闡述，在科學(xué)思維與科學(xué)探究中都對(duì)“推理論證”進(jìn)行了重點(diǎn)闡述.科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式；是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過(guò)程；是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用；是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力與品格.“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.科學(xué)探究是指基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問(wèn)題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對(duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力.“科學(xué)探究”主要包括問(wèn)題、證據(jù)、解釋、交流等要素.

科學(xué)論證是指“運(yùn)用證據(jù)對(duì)所研究的問(wèn)題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測(cè)，以及建立證據(jù)與解釋之間的關(guān)系”[2].推理論證不僅是核心素養(yǎng)的要素，而且也是物理關(guān)鍵能力的重要組成部分.

1.2 解答推理論證題的要素與要求

物理科學(xué)的發(fā)展可以說(shuō)就是建立在推理論證的基礎(chǔ)上的，科學(xué)家不僅要明確所觀察到的現(xiàn)象(證據(jù))，提出自身的觀點(diǎn)(結(jié)論)，更是要找出能夠把現(xiàn)象和觀點(diǎn)相互聯(lián)系起來(lái)的科學(xué)原理(推理過(guò)程)，以便形成合乎邏輯的科學(xué)解釋，使其在科學(xué)家共同體中進(jìn)行交流和接受檢驗(yàn).基于某個(gè)問(wèn)題的推理論證有點(diǎn)像寫議論文，需要明確“論點(diǎn)、論據(jù)和論證”這3個(gè)要素，所以解答物理論述說(shuō)明題需要落實(shí)以下3個(gè)要點(diǎn)：

(1)論點(diǎn)(觀點(diǎn))要鮮明.首先要有明確的結(jié)論，不能含混不清，觀點(diǎn)不明，如果出現(xiàn)拿不準(zhǔn)的時(shí)候，可以這樣說(shuō)明“其中合理的是……其中不合理的是……”

(2)論據(jù)要充分.在清楚前提和條件的基礎(chǔ)上，看所論證的事件是否符合常識(shí)、原理和規(guī)律，有時(shí)還要利用數(shù)學(xué)圖像、推導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)等已有的結(jié)論作為證據(jù).

(3)論述要得法.首先要看清題目的線索及要求，不是將你所知道的相關(guān)知識(shí)都寫上去，最好是先循著題目的要求發(fā)現(xiàn)其漏洞攻其要害(或找其突破)，接著要說(shuō)清論證的因果關(guān)系(或邏輯聯(lián)系)，還要注意規(guī)范恰當(dāng)?shù)谋硎?，比如?duì)誰(shuí)，在什么條件下，哪個(gè)過(guò)程，有何問(wèn)題，得出什么結(jié)論，都需要條理清晰地表述出來(lái).

2 例析解答推理論證題的思路和方法

推理論證就是在自己已有知識(shí)儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上提出自己的主張，基于證據(jù)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的推理，并利用反駁或者證明等方式向他人主張自己觀點(diǎn)的合理性和科學(xué)性.根據(jù)上述推理論證的要素可得出如下解答這類題目的思維流程圖,如圖1所示.

圖1 解答推理論證題的思維流程圖

為了簡(jiǎn)捷，可以將解答論證說(shuō)明題的過(guò)程簡(jiǎn)化為三段論：一是弄清題目意圖,二是尋找邏輯聯(lián)系,三是注意表述要點(diǎn).現(xiàn)略舉幾例，以茲說(shuō)明.

【例1】[2018年高考北京理綜第21(5)題]早在16世紀(jì)末，伽利略就猜想落體運(yùn)動(dòng)的速度應(yīng)該是均勻變化的.當(dāng)時(shí)只能靠滴水計(jì)時(shí)，為此他設(shè)計(jì)了如圖2所示的“斜面實(shí)驗(yàn)”，反復(fù)做了上百次，驗(yàn)證了他的猜想.請(qǐng)你結(jié)合勻變速直線運(yùn)動(dòng)的知識(shí)，分析說(shuō)明如何利用伽利略“斜面實(shí)驗(yàn)”檢驗(yàn)小球的速度是隨時(shí)間均勻變化的.

圖2 例1題圖

【點(diǎn)撥分析】

(1)題目意圖：首先，該題要求從實(shí)驗(yàn)測(cè)量角度來(lái)說(shuō)明，就需要弄清哪些是可測(cè)的，哪些是不可測(cè)的，由題意知時(shí)間t，位移x當(dāng)時(shí)都是可以測(cè)的.其次，目的是什么呢？是檢驗(yàn)“小球的速度是隨時(shí)間均勻變化的”這個(gè)猜想，但又不能直接測(cè)速度.

(2)邏輯聯(lián)系：要通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到速度與時(shí)間的關(guān)系，主要有兩個(gè)困難：一是速度v不能直接測(cè)出來(lái)，所以需要找v，x，t三者的關(guān)聯(lián)，且必須從可測(cè)的量入手，題中所提示的時(shí)間顯然是聯(lián)系二者的橋梁；二是要檢驗(yàn)“二者均勻變化”，意味著v與t須是一次函數(shù)關(guān)系，而x與平均速度也是一次函數(shù)關(guān)系，那怎么就能說(shuō)明v與t是一次函數(shù)關(guān)系呢？

(3)表述要點(diǎn)：考慮可以做實(shí)驗(yàn)且便于測(cè)量只能從初速度為零開(kāi)始(因?yàn)橛谐跛俣犬?dāng)時(shí)也根本不可能測(cè)出來(lái))，所以答題中一定要出現(xiàn)“從靜止釋放”這個(gè)條件，而且由于初速度為零，上述一次函數(shù)就變?yōu)檎壤瘮?shù)了.尤其要注意，題中的“請(qǐng)你結(jié)合勻變速直線運(yùn)動(dòng)的知識(shí)”并不是讓你寫出一堆勻變速直線運(yùn)動(dòng)的公式，這只是給你提供思路和線索，因?yàn)楫?dāng)時(shí)并不確切知道勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，連伽利略也只是猜想，他反復(fù)做了上百次實(shí)驗(yàn)才驗(yàn)證了他的猜想，如果你寫出公式來(lái)，恰恰說(shuō)明你沒(méi)有真正理解題目中預(yù)設(shè)的條件和環(huán)境.

【高考閱卷參考答案】

如果小球的初速度為零，假設(shè)其速度v∝t(這是猜想)，那么它通過(guò)的位移x∝t2.因此，只要測(cè)量小球通過(guò)不同位移所用的時(shí)間，就可以檢驗(yàn)小球的速度是否隨時(shí)間均勻變化.

【例2】[2019年高考北京第21(5)題]牛頓設(shè)想，把物體從高山上水平拋出，速度一次比一次大，落地點(diǎn)就一次比一次遠(yuǎn)，如果速度足夠大，物體就不再落回地面，它將繞地球運(yùn)動(dòng)，成為人造地球衛(wèi)星.同樣是受地球引力，隨著拋出速度增大，物體會(huì)從做平拋運(yùn)動(dòng)逐漸變?yōu)樽鰣A周運(yùn)動(dòng)，請(qǐng)分析原因.

【點(diǎn)撥分析】

(1)題目意圖：這個(gè)題的關(guān)鍵是一系列相關(guān)物理量的“漸變”(落地點(diǎn)就一次比一次遠(yuǎn)，速度足夠大，就成為人造衛(wèi)星)，漸變的原因及其對(duì)應(yīng)關(guān)系是什么呢？需要考生去揭示它們之間的邏輯聯(lián)系或者因果關(guān)系.

(2)邏輯聯(lián)系：題中出現(xiàn)了兩種運(yùn)動(dòng)模型，平時(shí)我們對(duì)每個(gè)運(yùn)動(dòng)模型都要挖掘兩個(gè)方面(一是該運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的條件，即物體所滿足的初狀態(tài)及其受力方程；二是根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律求解相關(guān)物理量，亦即運(yùn)動(dòng)方程).不難看出本題的關(guān)鍵是“揭示運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其變化的條件”，拋出速度的漸變(一次比一次大)與空間范圍的漸變(落地點(diǎn)就一次比一次遠(yuǎn))和運(yùn)動(dòng)模型的漸變(從平拋到圓周)，它們有什么內(nèi)在的邏輯聯(lián)系呢？這就是我們要論述的關(guān)鍵.

(3)表述要點(diǎn)：平拋運(yùn)動(dòng)的條件是“恒力與初速度垂直”，怎樣與題中提示的“速度小、范圍小”相對(duì)應(yīng)呢，由于物體在地球表面某個(gè)小范圍內(nèi)重力幾乎不變，且與初速度垂直，當(dāng)然可以滿足做平拋運(yùn)動(dòng)的條件.人造衛(wèi)星的勻速圓周運(yùn)動(dòng)需要的條件是合力與速度時(shí)刻垂直，這就需要引力是個(gè)變力了，怎么把這個(gè)變力與“速度大、范圍廣”相對(duì)應(yīng)呢？即使你說(shuō)的不那么準(zhǔn)確，但只要在推理論證中明確揭示出這種對(duì)應(yīng)的邏輯聯(lián)系(因果關(guān)系)，也可以得到可觀的分?jǐn)?shù).

【高考閱卷參考答案】

物體初速度較小時(shí)，運(yùn)動(dòng)范圍很小，引力可以看作恒力——重力，做平拋運(yùn)動(dòng)；隨著物體初速度增大，運(yùn)動(dòng)范圍變大，引力不能再看作恒力；當(dāng)物體初速度達(dá)到第一宇宙速度時(shí)，做圓周運(yùn)動(dòng)而成為地球衛(wèi)星.

【例3】回旋加速器模型，如圖3所示，根據(jù)回旋加速器的工作原理，請(qǐng)通過(guò)計(jì)算對(duì)以下兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析.

圖3 例3題圖

(1)在上述不考慮相對(duì)論效應(yīng)和重力影響的情況下，計(jì)算粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間時(shí)，為何常常忽略粒子通過(guò)兩盒間狹縫的時(shí)間，而只考慮粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)間；

(2)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：通過(guò)該回旋加速器，加速的帶電粒子能量達(dá)到25～30MeV后，就很難再加速了.這是由于速度足夠大時(shí)，相對(duì)論效應(yīng)開(kāi)始顯現(xiàn)，粒子的質(zhì)量隨著速度的增加而增大.結(jié)合這一現(xiàn)象，分析在粒子獲得較高能量后，為何加速器不能繼續(xù)使粒子加速了.

【點(diǎn)撥分析】(1)

1)題目意圖：第(1)問(wèn)意圖比較明顯，為何常常忽略粒子通過(guò)兩盒間狹縫的時(shí)間，就是這個(gè)電場(chǎng)中的加速時(shí)間在總時(shí)間中可忽略不計(jì).

2)邏輯聯(lián)系：近似簡(jiǎn)化這是物理中抓大放小的模型化思想，要求粒子在電場(chǎng)中的總加速時(shí)間必須遠(yuǎn)小于粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)間才可以忽略不計(jì).

3)表述要點(diǎn)：分別求出粒子在電場(chǎng)中的加速時(shí)間和粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，看是否滿足可以忽略的條件.

【點(diǎn)撥分析】(2)

1)題目意圖：第(2)問(wèn)的意圖沒(méi)有上一問(wèn)那么明顯，為何加速器不能繼續(xù)使粒子加速？可能是原來(lái)能持續(xù)加速的條件不滿足了，怎么不滿足了呢？有可能是某些物理量發(fā)生變化了.

2)邏輯聯(lián)系：回旋加速器能周而復(fù)始得以持續(xù)加速的條件是什么呢？這正是教材中所討論的“回旋加速器的精妙設(shè)計(jì)”，即交變加速電場(chǎng)的周期等于粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的周期.什么原因影響了這個(gè)條件呢？需要研究周期的決定因素.

3)表述要點(diǎn)：交變電場(chǎng)周期不變，這就需要求出粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的周期，然后再看是哪些因素(速率、能量、質(zhì)量)的變化引起二者不匹配，從而破壞了周而復(fù)始、持續(xù)加速的條件.

【閱卷參考答案】

可得

從該周期公式發(fā)現(xiàn)，速度增加，粒子的質(zhì)量會(huì)增加，其圓周運(yùn)動(dòng)周期會(huì)變大，但加速電場(chǎng)周期不變，這樣使得加速電場(chǎng)的變化周期與粒子的運(yùn)動(dòng)周期不匹配，從而導(dǎo)致無(wú)法持續(xù)加速.

3 結(jié)束語(yǔ)

只要掌握了論證說(shuō)明題的特點(diǎn)和分析思路，是容易有效得分的，因?yàn)楹芏嗟恼撌稣f(shuō)明題都是明知故問(wèn)，其結(jié)論我們是清楚的，關(guān)鍵是要根據(jù)題目條件找到各物理量的邏輯聯(lián)系并用恰當(dāng)規(guī)范的語(yǔ)言嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乇硎龀鰜?lái).

推理論證不僅是科學(xué)本身的有機(jī)組成部分，而且通過(guò)推理論證過(guò)程能夠幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用所學(xué)的科學(xué)知識(shí)，推理論證提供了一條能夠?qū)?nèi)隱思維策略外顯化的有效途徑，這樣可以促進(jìn)學(xué)生更高層次思維能力的發(fā)展.推理論證還能幫助學(xué)生對(duì)周圍環(huán)境中的紛繁信息和觀點(diǎn)形成自己的獨(dú)立認(rèn)識(shí)，為將來(lái)更加理性地參與社會(huì)生活奠定良好基礎(chǔ)[3].