聚焦模型构建关键能力，发展物理学科核心素养--以带电粒子在边界磁场中的运动模型微专题复习为例

聚焦模型构建关键能力，发展物理学科核心素养 --以带电粒子在边界磁场中的运动模型微专题复习为例

余嘉伟

惠州市惠阳区第五中学 广东省惠州市 516000

摘要：边界磁场微专题中，在磁场边界确定，但带电粒子运动速度不确定的情况下，往往需要通过多次作图，再利用复杂数学知识的方程求解，综合性较大。本文以物理学科核心素养为起点，以问题、情境、知识、模型为主线，将模型的“明线”展开，设置初步模型、深化模型和应用模型三个维度，将复杂的边界磁场问题化繁为简，促进物理教学从知识本位走向物理认知，优化完善教学结构。

关键词：边界磁场、构建模型、物理核心素养

《普通高中物理课程标准（2017年版）》中指出，需要把发展学生学科思维能力作为重要的教学目标，利用物理概念建构模型是物理学科核心素养的关键要素。2020年全国理综Ⅰ卷的第18题是一道综合性较强的边界磁场问题，考查了速度、运动时间、圆周运动、洛伦兹力等多个物理概念，还考查了边界磁场、最值问题、分类讨论等多种情境。总地来说，此题是考查学生从复杂的情境中抓住主要因素，要求学生构建出物理模型并解决实际问题，落实物理学科核心素养培养的一道极具代表性的题。引导学生构建物理观念、培养科学思维、进行科学探究，形成严谨的科学态度与责任，从而培养学生的物理学科核心素养一道极具代表性的题。

试题及解析

试题理解：（2020年高考物理全国1卷第18题）在磁感应强度大小为B且垂直纸面向外的边界匀强磁场中，以ab为半圆，其中ac、bd与直径ab共线，ac两点间距等于半圆半径。一粒子，质量为m,电荷量为+q，由c点垂直于ac以不同的速率射入磁场。不考虑粒子间的相互作用力。求粒子在磁场中长的运动时间

A．

B．

C．

D．

解析：已知粒子在直线磁场边界中，入射角=出射角=轨迹圆的圆心角度数的一半。设入射点和出射点分别为P、Q，以点P为定点，旋转直线，当直线与半圆ab相切时，此时入射角α达到最大值，即圆心角θ最大。

由
数学几何关系可知，直角三角形OPQ₄中，角OPQ₄=30°，则入射角α=120°，轨迹圆的圆心角θ=240°，即最大圆心角_，最长时间为 ,故选C。

1. 教学实践中教学设计结构和具体实施环节设置

教学设计结构以物理学科核心素养为起点，以问题、情境、知识、模型为主干线，以模型为明线展开。教学实施以“2020年高考物理全国1卷第18题--边界磁场”为任务，简化题目构建带电粒子在直线边界磁场运动模型，再以模型为基础设置三个维度问题。同时，以模型中涉及的边界磁场中综合物理概念及定理定律（物理观念）、科学思维、创新思维等为暗线，联系实际问题，引导学生解构模型，从而提升学生解决物理实际问题的能力，促进深度学习，通过聚焦模型构建关键能力，进行科学推理、科学论证，进而培养科学思维，聚焦模型构建关键能力，发展物理学科核心素养。

教学环节1：教材回归模型

模型构建：带电粒子以锐角、直角、钝角射入直线边界磁场中，仅受洛伦兹力的作用下，粒子做匀速圆周运动，引导学生通过观察和数学几何关系，寻找出入射角、出射角、圆心角之间的定量关系。

设置意图：回归教材，再审视教材，促使学生对物理模型的起点到本质认识，从定量的角度进行科学推理能够运用科学证据对研究的问题进行描述、解释和预测，进而培养学生的科学思维。

教学环节2：模型的理解

数学几何原理：首先，由运动的对称性可知，入射角等于出射角，两者均为弦切角。再由弦切角定理可知，弦切角的度数等于它所夹的弧所对的圆心角度数的一半。

设置意图：通过数学几何关系，让学生了解入射角、出射角、圆心角三者间的定量关系，利用数学工具，培养关键能力中知识获取能力--理解能力。

教学环节3：模型的深度解构

模型解剖：带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的运动时间由轨迹圆对应的圆心角 决定，运动时间 .

设置意图：通过带电粒子仅受洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动的物理基础知识，在运用所学知识的过程中形成物理观念，推导出粒子在磁场的运动时间公式，简化物理模型，理清学生脑中的模型疑难点，进一步促进学生对物理模型解构的深层次认知。

教学环节:5：模型的总结

模型使用条件：已知带电粒子在边界磁场中仅受洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，且知道粒子的入射点和出射点的前提下，通过两点确定一条直线，该直线就是直线边界磁场的直线边界，学生仅需通过数学几何关系或代数关系，利用数学工具求出入射角或出射角，即可得出轨迹圆对应的圆心角。

设置意图：通过数学工具的使用，极大地简化物理模型，引导学生感悟模型解决问题从复杂化、碎片化走向简洁化、系统化的过程，培养学生灵活应用物理知识和数学工具解决实际问题的能力，促进物理学科核心素养的发展，实现从“解题”向“解决问题”的转变。

2.基于物理学科核心素养下的教学实践的意义

本文通过情境构建模型、教材回归模型、模型的理解、模型的深度解构、模型的总结、解决实际问题等环节，引导学生掌握模型解决问题的方法和策略；通过物理建模在问题解决的过程中整合圆周运动问题、动力学问题、边界磁场问题以及图像问题的碎片化物理概念与规律，在解决问题的过程中逐步深化物理知识，促进学生对物理模型的深度学习，聚焦物理构建模型关键能力，发展物理学科核心素养。

参考文献：

1.中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017版）【S】.北京：人民教育出版社，2017.

2.陆永华.指向物理核心素养的“主线”深度教学实践研究--以电磁感应单杆模型微专题复习为例【J】.物理教师，2020（9）：

3.吴国先.聚焦关键能力，发展学科素养--2020年全国Ⅰ卷理综的第21题赏析【J】物理教师，2020（9）