淺談物理模型的建立

王永剛

【摘 要】作為高中一門難于理解和學(xué)習(xí)的學(xué)科，怎樣進(jìn)行良好地物理教學(xué)一直是廣大教育工作者探討的一點(diǎn)問題。作為一名工作在第一線的教師，我從多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)中得到一點(diǎn)體會，物理教學(xué)的關(guān)鍵在于培養(yǎng)學(xué)生建立和解析物理模型的能力。本文從幾個實(shí)例來分析物理模型的建立，供各位同仁探討。

【關(guān)鍵字】物理模型；建立；實(shí)例；思想

【中圖分類號】G633 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）03-0058-02

引言

高中物理的學(xué)習(xí)一直以來都是學(xué)生學(xué)習(xí)的一個重點(diǎn)和難點(diǎn)，很多學(xué)生苦于無法找到合適的學(xué)習(xí)方法，使物理成績一直是木桶中的最短板。學(xué)好物理，方法最重要，學(xué)生必須注重物理思想的培養(yǎng)。物理模型是高中物理知識的載體，通過對其進(jìn)行分析與講解，是學(xué)生獲得物理知識的一種基本方法，更是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造思維能力的重要途徑。學(xué)生在解題過程中的困難，主要來源于對物理模型的建立和應(yīng)用上。導(dǎo)致這一狀況的原因，主要是學(xué)生的不良解題習(xí)慣和缺乏創(chuàng)造性思維能力。養(yǎng)成一種行之有效的解題思維流程對于高中物理的學(xué)習(xí)是非常有必要的，我先將這種思維過程歸結(jié)如下：

如何在解題過程中快速準(zhǔn)確的建立起與題目相符合的物理模型至關(guān)重要，如果說正確識別或建立物理模型是正確解題的前提，那么在解決具有物理過程的物理習(xí)題時，學(xué)生頭腦中對物理過程的一個清晰的圖景則是解決此類物理問題的關(guān)鍵和保證。下面，以幾個具體事例來分析物理模型的建立。

一、基本模型

物理模型的建立，首先在于對基本模型的熟悉和掌握，高中物理中常用的幾種基本模型有以下幾種：

1.直線運(yùn)動模型：包括最常見的勻速直線運(yùn)動和勻變速直線運(yùn)動兩種模型。

2.兩種曲線運(yùn)動模型：一是平拋運(yùn)動，包括：水平方向?yàn)閯蛩僦本€運(yùn)動和豎直方向?yàn)樽杂陕潴w運(yùn)動；二是勻速圓周運(yùn)動，主要是天體運(yùn)動：由萬有引力提供向心力。

3.氣缸模型：氣缸模型分絕熱、恒溫等不同類型，另外還分活塞封口和水銀柱封口型，但百變不其宗，總的就是一個氣缸。

4.電學(xué)類：電學(xué)類的物理模型較多，但總的來說也就是如下幾個：并聯(lián)電路，串聯(lián)電路，平行板間的電場（勻強(qiáng)電場）、點(diǎn)電荷、點(diǎn)電荷在勻強(qiáng)電場中的運(yùn)動。

5.磁學(xué)類：金屬桿切割磁感線、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動（圓周運(yùn)動）、電磁流量計(jì)、回旋加速器等模型，電磁學(xué)模型對于高中學(xué)生來說較難掌握，但熟悉基礎(chǔ)模型后具體問題也就迎刃而解了。

6.力學(xué)：力學(xué)模型是物理教學(xué)的重點(diǎn)，可以分為：完全彈性碰撞、完全非彈性碰撞、斜面體、堆在一塊的幾層物體等模型。

二、模型的應(yīng)用

掌握了基本的模型，關(guān)鍵是在實(shí)際中的應(yīng)用，下面我們從幾個方面來探討物理模型的建立于應(yīng)用。模型的應(yīng)用，要求我們對模型所遵循的規(guī)律十分熟悉，從而才能對具體的物理問題加以純化、抽象，靈活地運(yùn)用規(guī)律進(jìn)行推理和計(jì)算。

2.1單個模型

例一、平拋運(yùn)動模型

某同學(xué)對著墻壁練習(xí)打網(wǎng)球，假定球在墻面上以25m/s的速度沿水平方向反彈，落地點(diǎn)到墻面的距離在10m至15m之間，忽略空氣阻力，取g=10m/s2，球在墻面上反彈點(diǎn)的高度范圍是（）A.0.8m至1.8m；B.0.8m至1.6m；C.1.0m至1.6m；D.1.0m至1.8m

解析：網(wǎng)球反彈后的速度大小幾乎不變，故反彈后在空中運(yùn)動的時間在0.4s～0.6s之間，在這個時間范圍內(nèi)，網(wǎng)球下落的高度為0.8m至

=僅以輕質(zhì)彈簧為研究對象，則彈簧兩端的受力都1F，所以彈簧秤的讀數(shù)為1F .說明：2 F作用在彈簧秤外殼上，并沒有作用在彈簧左端，彈簧左端的受力是由外殼內(nèi)側(cè)提供的。

點(diǎn)評：在中學(xué)階段，凡涉及的彈簧都不考慮其質(zhì)量，稱之為“輕彈簧”，是一種常見的理想化物理模型.由于“輕彈簧”質(zhì)量不計(jì)，選取任意小段彈簧，其兩端所受張力一定平衡，否則，這小段彈簧的加速度會無限大.故輕彈簧中各部分間的張力處處相等，均等于彈簧兩端的受力.彈簧一端受力為F，另一端受力一定也為F ，若是彈簧秤，則彈簧秤示數(shù)為F。

由以上兩道例題可以看出，有些物理題，只需要對其進(jìn)行簡單的聯(lián)想抽象即可變?yōu)槲覀兪煜さ奈锢砟Ｐ?，再進(jìn)行一些數(shù)學(xué)計(jì)算即可得到答案。這是物理模型的基礎(chǔ)，關(guān)鍵在于平時對物理模型的積累和掌握。

2.2 復(fù)合模型

（1）直線運(yùn)動的復(fù)合模型

例三、A、B兩輛汽車在筆直的公路上同向行駛。當(dāng)B車在A車前84 m處時，B車速度為4 m/s，且正以2 m/s2的加速度做勻加速運(yùn)動；經(jīng)過一段時間后，B車加速度突然變?yōu)榱恪車一直以20 m/s的速度做勻速運(yùn)動。經(jīng)過12 s后兩車相遇。問B車加速行駛的時間是多少？

解析：設(shè)A車的速度為vA，B車加速行駛時間為t，兩車在t0時相遇。

則有 0tvsAA= ①

對于此題的解析，我們需要從將這兩個單一模型組合建立成一個復(fù)合模型。這就需要我們在平時學(xué)習(xí)和練習(xí)中多加積累，進(jìn)行分宗歸類，才能在遇到復(fù)雜的物理問題時，很快分解為幾個常見的物理模型。

三、電磁學(xué)類的復(fù)合模型。

電磁學(xué)中的力學(xué)模型一直都是高中物理的最難點(diǎn)之一，復(fù)雜的電磁學(xué)習(xí)題甚至讓不少學(xué)子感覺無從下手，完全沒有思路。其實(shí)我們不難發(fā)現(xiàn)，這些復(fù)雜的電磁學(xué)物理問題也只是由簡單的單個模型組合而成。只要我們熟練掌握各個簡單的物理模型，再運(yùn)用正確的解題思路，將具體的物理問題先聯(lián)想抽象成幾個物理模型，再分別運(yùn)用物理的理論知識寫出物理表達(dá)式，再組合就能完成對習(xí)題的解答。當(dāng)然這是一個熟能生巧的過程，不是說我記住了幾個模型就能套用和解答，熟練建立物理模型也是一個慢慢積累的過程。

例四、如圖2所示，一質(zhì)量為m=0.016kg、長L=0.5m、寬d=0.1m、電阻R=0.1Ω的矩形線圈，從h1=5m的高處由靜止開始下落，然后進(jìn)入勻強(qiáng)磁場，當(dāng)下邊進(jìn)入磁場時，由于磁場力的作用，線圈正好作勻速運(yùn)動。

（1）求勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。

（2）如果線圈的下邊通過磁場所經(jīng)歷的時間t=0.15s，求磁場區(qū)域的高度h2.

（3）求線圈的下邊剛離開磁場的瞬間，線圈的加速度的大小和方向。

（4）從線圈的下邊進(jìn)入磁場開始到線圈下邊離開磁場的時間內(nèi)，在線圈中產(chǎn)生的焦耳熱是多少？磁學(xué)基本模型，又運(yùn)用到了機(jī)械守恒定律和勻速直線運(yùn)動模型，我們根據(jù)理論知識分別列出各種模型的物理表達(dá)式，再聯(lián)合考慮既能得到問題的解決思路。模型，這一概念可謂在物理學(xué)中各個領(lǐng)域得到充分的運(yùn)用。

由此可知，解決物理問題，建立正確易懂的物理模型是破題的關(guān)鍵，建立物理模型要遵循物理研究問題和解決問題的思想及方法，即是把抽象問題具體化，化抽象思維為形象思維；把具體問題理想化，深入淺出，化復(fù)雜為簡單，當(dāng)然把建模過程中要遵循原物理情景及規(guī)律，尊重客觀事實(shí)。學(xué)生如能貫徹這樣的學(xué)習(xí)思想，定能形成良好的解題習(xí)慣，提高分析和解決問題的能力，從而提高物理水平。

四、模型構(gòu)建重在思想

思維定勢是人們在思維活動中所傾向的特定的思維模式。它是指人們按照某種固定的思路和模式去考慮問題，表現(xiàn)為思維的傾向性和專注性。構(gòu)建物理模型一定程度上可以說是利用了思維定勢積極的一面。物理學(xué)科的研究對象是自然界物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和最普遍的運(yùn)動形式，對于那些紛繁復(fù)雜事物的研究，首先就需要抓住其主要的特征，而舍去那些次要的因素，形成一種經(jīng)過抽象概括了的理想化的“模型”，這種以模型概括復(fù)雜事物的方法，是對復(fù)雜事物的合理的簡化。如運(yùn)動員的跳水問題是一個“豎直上拋”運(yùn)動的物理模型；人體心臟收縮使血液在血管中流動可簡化為一個“做功”的模型等等。物理模型是同類通性問題的本質(zhì)體現(xiàn)和核心歸整。

模型的構(gòu)建，是唯物辯證思維在物理學(xué)科的一個具體應(yīng)用。一個正確的物理模型構(gòu)建，能夠使學(xué)生講復(fù)雜的問題簡單化、明了化，使抽象事物變成直觀生動的事物，反映出事物的主要矛盾。培養(yǎng)學(xué)生在解決問題時分清次要矛盾、抓住主要矛盾的思維能力。構(gòu)建模型，是一種高效解決問題的思維模式，是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散性、創(chuàng)造性思維能力的有效途徑。

教師在教學(xué)活動中，應(yīng)該主動培養(yǎng)學(xué)生的建模意識，將建模思想貫穿在整個物理教學(xué)的始終，這不僅僅是滿足學(xué)生在處理實(shí)際物理問題的需要，更是對學(xué)生整個素質(zhì)教育的提高都起到了極大的促進(jìn)。采用啟發(fā)式、課題研究性教學(xué)模式，促進(jìn)學(xué)生探究式學(xué)習(xí)，堅(jiān)持以學(xué)生為主體，充分挖掘?qū)W生的主動性和積極思維的意識，自覺的在學(xué)習(xí)中構(gòu)建物理模型。物理模型的構(gòu)建意識，不是一個短期的過程，它需要一個長期的積累和不斷的運(yùn)用。一但形成，必將達(dá)到事半功倍的效果，使學(xué)生在學(xué)習(xí)和思維乃至社會能力上都得到長足的進(jìn)步，這才是我們教學(xué)的目的之所在。

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