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摘要：新课程标准要求关注物理学在生产生活中的应用，开拓学生科学视野，激发学生学习兴趣。在此背景下，越来越多的题目从科技实例出发，提出问题，解决问题。教师引领学生进行问题探究活动，以核心素养为基础，综合运用多种方法，区分概念，明确思路。学生的迷思困惑在交流和讨论中，逐渐清晰。

关键词：核心素养  问题探究  物理建模

在一轮复习中，学生们对高压水枪问题有不同的见解，展开了激烈的讨论。教师引导学生进行了一场习题探究活动，在探究过程中，学生体验了多种科学思维方法，综合运用了多种物理知识，建构了多种物理模型，最终确定了正确的思路，解决了实际问题。

题目：如图所示，用高压水枪喷出的强力水柱冲击右侧的煤层。设水柱直径为D，水流速度为v，方向水平，水柱垂直煤层表面，水柱冲击煤层后水的速度为零。高压水枪的质量为M，手持高压水枪操作，进入水枪的水流速度可忽略不计，已知水的密度为ρ，下列说法正确的是（ ）

探究一、高压水枪的流量

同学们的意见统一，建立柱体模型，依题意，水柱直径为D，水流速度为v，高压水枪的流量为Q＝πv＝vπD2。

探究二、高压水枪的功率

同学甲：以Δt时间内高压水枪喷出的水为研究对象，由动能定理得，高压水枪对水做的功为W＝ρπvΔt·v2＝ρπD2v3Δt，则高压水枪的功率为P＝＝ρπD2v3。

同学乙：以Δt时间内高压水枪喷出的水为研究对象，由动量定理得FΔt＝ρπvΔtΔv，水枪对水的平均作用力为F＝ρπD2v2，P＝Fv＝ρπD2v3。

甲乙同学在解答高压水枪的功率问题时出现了分歧，谁的想法是正确的？错误的想法又错在哪里呢？

教师引导：在高压水枪内部，水流从速度为0增加到速度为v，这一变化是在整个水枪长度内发生的，不是在水枪的枪口处，也不是在出枪口的瞬间，因此同学乙的计算方法是错误的，同学甲的计算方法是正确的。设高压水枪的平均功率为P，以Δt时间内高压水枪喷出的水为研究对象，利用动能定理得，Pt＝mv2，即Pt＝ρπvΔt·v2，解得P＝ρπD2v3。

探究三、水柱对煤层的平均冲击力

同学们的意见统一，以Δt时间内高压水枪喷出的水为研究对象，由动量定理得－FΔt＝－ρπvΔtΔv，解得煤层对水柱的平均作用力大小为F＝ρπD2v2，由牛顿第三定律知，水柱对煤层的平均冲击力为ρπD2v2。

探究四、手对高压水枪的作用力

同学丙：高压水枪受重力、水柱对高压水枪的水平向左的力和手对高压水枪的作用力，由平衡条件知，手对高压水枪的作用力斜向右上方。

同学丁：以水柱为研究对象，水柱在空中做匀速直线运动，因此左右两侧合力为零，煤层对水柱的作用力为F＝ρπD2v2，则高压水枪对水柱的作用力也为ρπD2v2，这个力远大于水和水枪的重力，因此手对水枪的力几乎是水平向右的。

同学戊：同学丁说的不对，手给水枪的力肯定远小于煤层受到的冲击力，因为人可以轻松的拿起水枪，可是千年沉积的煤层在高压水枪的作用下都脱落了。

教师引导：三位同学，分别提出了自己的观点，争论得非常精彩。那么，到底谁对谁错呢？首先，同学戊的观点是正确的，这也符合我们的生活实践。那么，同学丁的观点错在哪里呢？水柱在空中做匀速直线运动，并不是因为左右两边力相等，而是因为空中的水柱（离开枪口后、未到达煤层前）不受水平方向的力。题干说认为碰到煤层的水速度马上变成0，因此碰到煤层的水与后面的水没有相互作用，后面的水直到撞到煤层才受力停下来。这里用到了牛顿第一定律。

那么，同学丙的观点是否正确呢？水在水枪中加速的过程中，水枪给水向右的作用力，水当然会给水枪向左的作用力，只不过这个作用力远远小于水柱对煤层的冲击力，原因是水枪中水的加速是在一段时间、一段距离发生的，而水柱撞击煤层的减速几乎是在一个瞬间、一个位置发生的，由功的定义可知，水枪给水向右的作用力远远小于煤层对水柱的作用力，即水给水枪向左的作用力远远小于水柱对煤层的冲击力。这里用到了牛顿第三定律。因此同学丙的观点是正确的。

同学们在经历了提出问题、列举证据、解释交流等科学探究过程之后，对于高压水枪有了比较明确的认识，最终得出正确答案为BC。在探究过程中，体验了分析综合、推理论证等多种科学思维方法，综合运用了牛顿运动定律、动能定理、功能关系、动量定理等多种物理知识，建构了流体柱状模型、平均功率模型等多种物理模型，解决了问题。将物理知识应用于生活实践，体会到科学、技术、社会、环境之间的关系，有助于提高物理学科核心素养。

参考文献：

[1]教育部.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2017.

[2]王广祥.课堂新课标.[Z].甘肃：甘肃教育出版社.2021：101