高中物理教學(xué)中物理模型的構(gòu)建與應(yīng)用

張珍珠

【內(nèi)容摘要】高中物理教學(xué)當(dāng)中涉及許多比較抽象的知識和原理，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)和解題時常常無從入手，因此教師在教學(xué)當(dāng)中很有必要通過構(gòu)建和應(yīng)用物理模型來進(jìn)行教學(xué)。文章主要介紹了物理模型的含義和構(gòu)建原則，并分析了在高中物理教學(xué)當(dāng)中構(gòu)建和應(yīng)用物理模型的意義和具體應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】高中物理 物理教學(xué) 物理模型 構(gòu)建

一、前言

物理是高中教學(xué)當(dāng)中非常重要的一門學(xué)科，但其抽象的知識原理也讓許多學(xué)生覺得比較難懂難學(xué)，甚至厭惡物理學(xué)習(xí)。因此在高中物理教學(xué)中應(yīng)用物理模型輔助教學(xué)，能幫助學(xué)生理解物理問題，同時能夠更直觀的解決物理問題，繼而提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

二、物理模型的含義和構(gòu)建原則

（一）含義簡介

構(gòu)建物理模型指的是在物理學(xué)當(dāng)中把問題做簡化，繼而構(gòu)建起來能夠解決實際問題的一種比較有效的方式，也可以稱作是物理學(xué)的思想方法。我們可以將其歸納為：把生活和自然界當(dāng)中存在的問題做提煉之后把問題抽象成一種物理模型，以實物或畫圖形式直觀的表達(dá)認(rèn)識對象的特征，然后解出答案并驗證其是否合理，將構(gòu)建的物理模型所得到的結(jié)果來解釋現(xiàn)實中存在的問題并對這一物理知識進(jìn)行應(yīng)用就是物理建模。

（二）構(gòu)建原則

構(gòu)建物理模型能夠具體的反映出具體事物其物理上的本質(zhì)，然后抽取出其原型當(dāng)中存在的主要物理特征，再使用科學(xué)知識以及物理試驗數(shù)據(jù)作為模型構(gòu)建的支撐。所以，我們在高中物理教學(xué)當(dāng)中構(gòu)建和應(yīng)用物理模型就一定要堅持科學(xué)合理這一基本原則，絕不能隨意構(gòu)建?？偟膩碚f，我們在構(gòu)建物理模型時必須遵循的原則包括下面幾點：

第一，模型要能夠反映出研究對象其本質(zhì)上的特征。質(zhì)點力學(xué)中建立的第一個、也是最簡單的物理模型是質(zhì)點。如果一個物體自身的線度與它的運動范圍的線度相比微不足道，或者在所研究的問題中允許忽略物體各部分運動狀態(tài)的差異，這樣的物體可按質(zhì)點模型處理，否則就要按其實際形狀討論。同時構(gòu)建電場和磁場等相關(guān)的物理模型時也需要遵循這一原則，只有這樣我們才能確保在教學(xué)當(dāng)中能夠通過物理模型的構(gòu)建來讓學(xué)生可以深入理解相關(guān)概念和原理并真實的反映出事物的原型。

第二，構(gòu)建模型時要以實驗作為依據(jù)。構(gòu)建物理模型絕不可以隨意進(jìn)行，其構(gòu)建的基礎(chǔ)是科學(xué)知識以及物理實踐。因此構(gòu)建物理模型時一定要以實驗為依據(jù)，所有的修改和適用范圍等都一定要堅持這一基本原則。例如牛頓第一定律是牛頓在伽利略和笛卡兒等人的實驗和論證的基礎(chǔ)上進(jìn)一步總結(jié)和科學(xué)推論而得出的。

三、高中物理教學(xué)中構(gòu)建物理模型的意義和具體應(yīng)用

（一）意義

1.幫助學(xué)生理解物理含義和原理。在高中物理教學(xué)當(dāng)中構(gòu)建和應(yīng)用物理模型，要科學(xué)分析和歸納物理現(xiàn)象，通過抓取物理現(xiàn)象的本質(zhì)要素，去除次要因素從而構(gòu)建出物理模型。同時還要通過物理量來量化，讓物理概念之間存在的聯(lián)系上升為物理規(guī)律。在構(gòu)建物理模型這一過程中讓學(xué)生參與到其中，這不但能夠讓學(xué)生獲取知識，同時也讓他們對科學(xué)構(gòu)建研究問題的方法有了更深層次的認(rèn)識，提高教學(xué)效果。

2.提高學(xué)生的創(chuàng)造性思維水平。構(gòu)建物理模型的過程實際上就是一個創(chuàng)造過程，通過對問題的觀察和研究分析之后，通過思維來創(chuàng)造一個理想化的模型。所以教師在課堂當(dāng)中引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建物理模型不但能夠讓學(xué)生加深對知識的理解和鞏固，同時還可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)積極性。

（二）具體應(yīng)用

1.在實驗教學(xué)當(dāng)中構(gòu)建和應(yīng)用物理模型不僅能夠讓學(xué)生更直觀的理解物理學(xué)知識，同時還能夠培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建物理模型的能力。由于在現(xiàn)實中空氣的摩擦或者接觸面的摩擦總是存在的，故大多數(shù)的物理學(xué)實驗都是在模擬與之相關(guān)的物理場景或過程，通過抓取物理現(xiàn)象的本質(zhì)要素，去除次要因素從而構(gòu)建出物理模型。由此可見在實驗教學(xué)當(dāng)中構(gòu)建和應(yīng)用物理模型是有其優(yōu)越性的。

比如我們在教學(xué)章節(jié)“單擺”當(dāng)中，教師希望學(xué)生能夠更好的研究單擺的運動，就可以通過讓學(xué)生嘗試構(gòu)建相關(guān)的物理模型來加深理解。老師可以把學(xué)生分成多個小組，讓其探討分析物理模型的構(gòu)建方式，通過探討之后可以將分析結(jié)果歸納為以下幾點：

首先，假設(shè)在一定的場合和條件下，認(rèn)定小球的擺角小于5°時，其振動周期與小球的質(zhì)量、大小是無關(guān)的；其次，準(zhǔn)備一組兩個懸線一樣但質(zhì)量不等的小球；一組兩個質(zhì)量相等但懸線不一樣的小球；一組兩個懸線一樣且質(zhì)量相等的小球；第三，進(jìn)行實驗，讓第一組與第二組的擺角大于5°，第三組的擺角則小于5°，然后觀察情況；第四，學(xué)生將觀察到的現(xiàn)象做下記錄并找出規(guī)律，并使用相關(guān)理論進(jìn)行分析，把現(xiàn)象問題抽象化；最后，讓學(xué)生抓住模型構(gòu)建的主要因素，然后分小組討論和單擺運動類似的現(xiàn)象，同時做比較和實驗。

2.解答問題時應(yīng)用物理模型的構(gòu)建。高中物理知識的原理都比較抽象和簡單，但是不少學(xué)生在學(xué)習(xí)完原理之后卻很難將其應(yīng)用到解題當(dāng)中。因此，在學(xué)生積累了一定的知識之后，老師通過教授典型的習(xí)題來提高學(xué)生物理模型構(gòu)建的能力。

比如我們可以通過以下實例來構(gòu)建物理模型，幫助學(xué)生解題。已知在水平光滑桌面上放上兩個物體A、B，mA= 1kg，mB=2kg，兩個物體之間使用不能伸長的細(xì)線連著，細(xì)線的質(zhì)量不計，兩物體分別受到水平向左的拉力F1=10N以及水平向右的拉力F2=40N的作用，求出兩物體間細(xì)線的拉力是多少。

由題可知，因為細(xì)線不能伸長，同時兩物體有共同的加速度，所以在這個問題當(dāng)中我們可把兩物體看成是一個整體來作答。兩物體的共同加速度為：

因為物體A受到向右拉力F以及F1拉力作用，則F-F1=mAa，即F=F1+mAa= 10+1×10=20N。

雖然這個問題比較基礎(chǔ)，卻很典型，因而在應(yīng)用整體模型上非常合適，尤其是在解答力學(xué)問題當(dāng)中都需要應(yīng)用到這種整體和局部相結(jié)合的理念，如果學(xué)生能夠巧妙的運用模型構(gòu)建的話則會使許多問題變得清晰明了，解答問題也會更容易。

3.和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合。高中物理和數(shù)學(xué)有著密切聯(lián)系，兩者不論在知識還是解題方法上都有聯(lián)系。因此在高中物理教學(xué)當(dāng)中構(gòu)建并應(yīng)用數(shù)學(xué)模型是非常常見且有效的方式。構(gòu)建數(shù)學(xué)模型不但能夠?qū)ο嚓P(guān)的物理知識進(jìn)行簡潔明了的闡述，而且還可以讓學(xué)生的抽象思維變具體。下面我們就通過以下例子來說明。

如圖所示，邊界OA與OC之間分布有垂直紙面向里的勻強磁場，邊界OA上有一粒子源S。某一時刻，從S平行于紙面向各個方向以某一速率發(fā)射出大量比荷為q/m的同種正電粒子，經(jīng)過一段時間有大量粒子從邊界OC射出磁場。已知磁場的磁感應(yīng)強度大小為B，∠AOC=60°，O、S兩點間的距離為L，從OC邊界射出的粒子在磁場中運動的最短時間t= ，忽略重力的影響和粒子間的相互作用，則粒子的速率為（ ）

由題可知：粒子在磁場中運動做勻速圓周運動，所有粒子的初速度大小相同，軌跡半徑相同，弦越短，軌跡的圓心角越小，運動時間越短。入射點是S，出射點在OC直線上，出射點與S點的連線為軌跡的一條弦。作ES⊥OC，如圖3所示，則ES為最短的弦，粒子從S到E的時間即最短。由題知，粒子運動的最短時間等于t= ，根據(jù)洛倫磁力充當(dāng)向心力知粒子運動的周期T= ，故該粒子運動軌跡的圓心角θ=120°。已知OS=L，由幾何知識求得ES= L，粒子運動的軌跡半徑R= L，又根據(jù)公式R= ，可求得v= 。故選A。

由以上例子可看出構(gòu)建數(shù)學(xué)模型不但能夠?qū)ο嚓P(guān)的物理知識進(jìn)行簡潔明了的闡述，而且還可以讓學(xué)生的抽象思維變具體。

4.課堂教學(xué)中應(yīng)用物理模型。高中的物理教學(xué)當(dāng)中經(jīng)常需要用到物理模型，通過對物理模型巧妙合理的構(gòu)思設(shè)計出便于學(xué)生理解和記憶的物理模型，以類比、等效的方式讓學(xué)生在學(xué)習(xí)高中物理中面對一些陌生的原理和問題時能夠通過模型和以前熟悉的物理模型相對應(yīng)，繼而起到啟發(fā)，更容易理解的作用。

比如在鞏固學(xué)生對電荷場強和場的疊加原理知識的時候，老師可以通過下面這道題來加強學(xué)生對該知識的理解和應(yīng)用。

設(shè)在無限大的金屬板的上面距離板塊d處有正電荷，其電量為Q，求金屬板表面的正電荷正下方P點場強大小是多少。

如果使用普通的思路來解這道題是比較難的，學(xué)生甚至無從下手，因為P點的場強是電荷Q和板上感應(yīng)負(fù)電荷在這一處所產(chǎn)生的場強的疊加值。但因為高中學(xué)生還沒有學(xué)過怎么計算板上的感應(yīng)負(fù)電荷于P附近產(chǎn)生的場強值，同時也找不出相對應(yīng)的物理模型能夠和圖例匹配。這個時候我們就可以設(shè)想并構(gòu)建一個和平面鏡成像相似的“鏡面對稱”的模型，就是說假設(shè)在金屬板的下面和正電荷Q相對稱的地方有一個負(fù)電荷，如下圖所示，那么P點周圍的場強就可以等效為這一對正負(fù)電荷所產(chǎn)生的場強值的和，這樣一來就很容易解開這道題了。根據(jù)點電荷的場強公式以及場的疊加原理我們可得出其值為：E=2kQ/d2。

四、結(jié)束語

在高中物理教學(xué)當(dāng)中構(gòu)建和應(yīng)用物理模型能夠幫助學(xué)生分析和解決許多實際問題，因此老師在教學(xué)當(dāng)中應(yīng)該積極培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建物理模型的意識和能力，讓學(xué)生在了解模型構(gòu)建的原則的基礎(chǔ)上，確保模型構(gòu)建的科學(xué)和準(zhǔn)確性。同時，老師在教學(xué)當(dāng)中還應(yīng)該經(jīng)常通過模型構(gòu)建來解題，讓學(xué)生在過程參與當(dāng)中鞏固知識，拓寬思維能力。

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（作者單位：福建省寧德市周寧縣第二中學(xué)）