高中物理模型教學(xué)及實(shí)例分析お

尤東岳

都說(shuō)高中物理難，難在哪里呢？筆者認(rèn)為，高中物理與初中物理相比有幾個(gè)大的跨越，“理想模型”就是其中之一，學(xué)生如果不能認(rèn)識(shí)物理模型，不能建立物理模型，那么學(xué)習(xí)物理則寸步難行，本文結(jié)合筆者多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，就物理模型教學(xué)及教學(xué)實(shí)例談幾點(diǎn)筆者的看法，望能有助于課堂教學(xué).

1物理模型的特征和作用

物理教學(xué)離不開(kāi)物理模型教學(xué)，分析物理模型的特征和作用是有效開(kāi)展模型教學(xué)的前提.

1.1物理模型的特征

（1）抽象性與形象性的統(tǒng)一

為什么要建立模型？物理模型的建立過(guò)程是從客觀存在的事物和現(xiàn)象出發(fā)經(jīng)過(guò)抽象、簡(jiǎn)化的過(guò)程，這一過(guò)程同時(shí)存在了抽象思維和形象思維，兩者共存而統(tǒng)一.

例如，質(zhì)點(diǎn)模型，這是一個(gè)理想化模型，但是卻又是客觀存在的實(shí)際物體的抽象與有條件近似，在研究的問(wèn)題中，如果物體的大小、形狀等特征對(duì)問(wèn)題的研究沒(méi)有影響，則將這個(gè)客觀存在的物體抽象為一個(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)，即質(zhì)點(diǎn)，在這個(gè)模型建立的過(guò)程中，首先涉及到具體而形象化的物體及其所在的物理場(chǎng)[JP3]景，然后還要分析所研究問(wèn)題的主、次矛盾，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行抽象.[JP]

（2）科學(xué)性與假定性的統(tǒng)一

物理模型與原始物理問(wèn)題之間有著特定的聯(lián)系，不僅僅能夠客觀地反應(yīng)問(wèn)題的主要因素和主要矛盾，而且建立模型的過(guò)程是以科學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為依據(jù)的，建模的過(guò)程有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐茢嗪瓦壿嬚撟C，所以說(shuō)模型具有科學(xué)性.但是，從另外一方面來(lái)看，物理模型又高于現(xiàn)實(shí)事物，是物理思維作用的結(jié)果，有些甚至是科學(xué)家創(chuàng)造力、想象力發(fā)揮的結(jié)果，與現(xiàn)實(shí)只能近似而無(wú)法全同，所以說(shuō)模型又具有假定性，需要進(jìn)一步用實(shí)驗(yàn)和事實(shí)來(lái)驗(yàn)證.

例如，自由落體運(yùn)動(dòng)就是伽利略通過(guò)實(shí)驗(yàn)和邏輯推理得到的理想化模型，如果學(xué)生學(xué)了必修一第六章后會(huì)意識(shí)到當(dāng)初伽利略的假設(shè)是需要條件的，自由落體運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是下落高度不太大，重力不隨著高度而變化的前提下的一種初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng).

再例如，盧瑟福建立的核式模型是他在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上抽象而成的模型，能夠解釋?duì)亮Ｗ由⑸鋵?shí)驗(yàn)，具有一定的科學(xué)性，但是由于人們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)局限性的限制，到底是怎樣的結(jié)[JP3]構(gòu)呢？所以我們說(shuō)核式模型更具有盧瑟福站在物理角度的假定性.[JP]

1.2物理模型的作用

物理模型是物理思維的產(chǎn)物，在建模的過(guò)程中物理原始問(wèn)題和原型中對(duì)問(wèn)題的影響處于次要矛盾的因素被摒棄或忽視，[JP3]研究對(duì)象被純化或簡(jiǎn)化，物理模型是推演和建立物理規(guī)律的基礎(chǔ).[JP]

例如，“質(zhì)點(diǎn)”這個(gè)模型是勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、萬(wàn)有引力定律、向力力等力學(xué)規(guī)律建立的基礎(chǔ)；與之相類似，“點(diǎn)電荷”模型是諸多電學(xué)規(guī)律建立的基礎(chǔ)，理想氣體是三個(gè)氣體實(shí)驗(yàn)定律和理想氣體狀態(tài)方程建立的基礎(chǔ).

除了借助于模型來(lái)建立物理規(guī)律和理論外，利用物理模型可以解釋物理現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)定律，如借助于愛(ài)因斯坦的光子說(shuō)可以解釋光電效應(yīng)；利用物理模型可作出科學(xué)的預(yù)言，如海王星的發(fā)現(xiàn).

2學(xué)生借助于模型解決問(wèn)題的教學(xué)實(shí)例——電磁感應(yīng)定律

2.1從原有認(rèn)知出發(fā)，提出問(wèn)題

提供如圖1、圖2所示的電路圖，并提出問(wèn)題.

問(wèn)題1：這兩個(gè)電路，如果電鍵均閉合，電流表和靈敏電流計(jì)會(huì)不會(huì)有讀數(shù)？

問(wèn)題2：如果你認(rèn)為有讀數(shù)，那么兩個(gè)電路的電源是什么？

這兩個(gè)電路圖進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于圖2這種情況可以引導(dǎo)學(xué)生建立如圖3所示的模型，即圖2中的磁鐵下插的過(guò)程相當(dāng)于提供了如圖3所示的電動(dòng)勢(shì)（當(dāng)然這里并非是穩(wěn)恒電壓）.

問(wèn)題3：靈敏電流計(jì)擺動(dòng)的幅度大小與什么因素有關(guān)？

2.2基于模型實(shí)施實(shí)驗(yàn)

為了探究電磁感應(yīng)定律規(guī)律，可以引導(dǎo)學(xué)生自主探究如圖4、圖5所示的實(shí)驗(yàn).

從圖4實(shí)驗(yàn)到圖5的實(shí)驗(yàn)變化，實(shí)際上是模型上的變化，即通電流線管相當(dāng)于條形磁鐵，而且可以通過(guò)改變電流來(lái)改變螺線管提供磁場(chǎng)的強(qiáng)弱.

對(duì)于改變電流的問(wèn)題，可以要求學(xué)生以不同的速度將滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)頭從一端滑到另一端，思考問(wèn)題.

問(wèn)題1：兩次滑動(dòng)過(guò)程中穿過(guò)線圈的磁通量的變化量是否相同？

問(wèn)題2：所用時(shí)間是否相同？

問(wèn)題3：電流表的偏轉(zhuǎn)角是否相同？

問(wèn)題4：偏轉(zhuǎn)角大說(shuō)明什么？

問(wèn)題5：其原因是什么？

通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問(wèn)題的思考，總結(jié)出規(guī)律：當(dāng)穿過(guò)線圈的磁通量變化量與時(shí)間之比越大，即單位時(shí)間內(nèi)磁通量的變化越多，或者說(shuō)磁通量的變化率越大時(shí)，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就越大.

在學(xué)生有了這樣的認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，筆者再引導(dǎo)學(xué)生將其與速度、速度變化量和速度變化率這幾個(gè)概念進(jìn)行類比，繼而“磁通量的變化率”這個(gè)概念和公式表征應(yīng)運(yùn)而生.

順勢(shì)建立規(guī)律：E=n[SX（]ΔΦ[]Δt[SX）].

2.3特例中應(yīng)用模型

規(guī)律建立后，配置例題是實(shí)現(xiàn)知識(shí)內(nèi)化的重要渠道，為此[JP3]筆者設(shè)計(jì)了典型特例，引導(dǎo)學(xué)生在例題解決的過(guò)程中運(yùn)用模型.[JP]

例1如圖6示，把矩形單匝線圈abcd放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，線框平面和磁感線垂直.設(shè)線圈可動(dòng)部ab的長(zhǎng)度為l，以速度v，向右勻速平動(dòng)，則線框中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為多少？

學(xué)生在思考的過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生討論如下幾個(gè)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)問(wèn)題的化解和模型的提取.

問(wèn)題1：圖6的電路中，哪部分導(dǎo)體相當(dāng)于電源？

[LL][TP1GW19.TIF，BP#]

問(wèn)題2：可動(dòng)部ab的速度v與磁感線方向B有何關(guān)系？

問(wèn)題3：如果如圖7所示，導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向與導(dǎo)體本身垂直，但與磁感方向不垂直，設(shè)v與B夾角為θ，又如何計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小呢？

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，學(xué)生在解決圖6的過(guò)程中經(jīng)過(guò)了問(wèn)題1和問(wèn)題2的思考，當(dāng)情境轉(zhuǎn)化為如圖7時(shí)，很快能夠?qū)⑺俣冗M(jìn)行分解完成模型的建立，并實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的解決.