高中物理模型的構(gòu)建探究

謝曉丹

[摘要]在高中物理教學(xué)中，構(gòu)建物理模型是一種高效的教學(xué)方法。構(gòu)建物理模型就是排除實(shí)際物理問(wèn)題中非本質(zhì)因素的影響，抓住實(shí)際物理問(wèn)題的主要因素，舍棄次要因素，突出反映實(shí)際物理問(wèn)題的本質(zhì)特征，從而使實(shí)際物理問(wèn)題得到簡(jiǎn)化和理想化的過(guò)程。它對(duì)高中學(xué)生掌握物理知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)科素養(yǎng)、解決物理問(wèn)題、減輕學(xué)生學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)、培養(yǎng)學(xué)生各方面能力起到非常重要的作用。本文結(jié)合自己的高中教學(xué)實(shí)踐從物理教學(xué)中常見(jiàn)的三類物理模型、構(gòu)建物理模型在教學(xué)中的重要作用和舉例說(shuō)明物理模型的構(gòu)建三個(gè)方面進(jìn)行闡述，從理論上和實(shí)踐上對(duì)高中物理模型的構(gòu)建提出了自己的看法。

[關(guān)鍵詞]物理模型;構(gòu)建物理模型;物理教學(xué);物理問(wèn)題;理想化

高中物理是研究物質(zhì)基本規(guī)律的一門基礎(chǔ)學(xué)科。如果離開(kāi)了對(duì)物質(zhì)最基本規(guī)律的研究，就不可能對(duì)復(fù)雜的物理現(xiàn)象做進(jìn)一步的研究，所以把復(fù)雜的物理現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)、抽象的簡(jiǎn)單化和理想化處理的過(guò)程，就是構(gòu)建物理模型。利用構(gòu)建物理模型的方法可以排除實(shí)際物理問(wèn)題中非本質(zhì)因素的影響，抓住實(shí)際物理問(wèn)題的主要因素，舍棄其次要因素，從而使實(shí)際物理問(wèn)題的對(duì)象、條件和過(guò)程得到簡(jiǎn)單化和理想化，從而突出反映實(shí)際物理問(wèn)題的本質(zhì)特征，使實(shí)際物理問(wèn)題更方便研究和解決。在教學(xué)中對(duì)物理模型的構(gòu)建會(huì)不斷啟發(fā)、拓展和提高學(xué)生運(yùn)用所學(xué)物理知識(shí)解決實(shí)際物理問(wèn)題的能力和興趣，當(dāng)學(xué)生在解決實(shí)際物理問(wèn)題時(shí)，就會(huì)自然而然的想到物理中的相應(yīng)模型，從而感到物理學(xué)與生活是緊密相連的，最終激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)的求知欲望，進(jìn)而產(chǎn)生思考并最終解決物理問(wèn)題。因此，構(gòu)建物理模型教學(xué)方法在培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)、探究能力、解決實(shí)際物理問(wèn)題的能力方面發(fā)揮著重要的作用。

第一、物理教學(xué)中常見(jiàn)的三類物理模型

1.對(duì)象模型：忽略對(duì)象實(shí)體的次要因素，用來(lái)代替對(duì)象實(shí)體的理想化模型，如質(zhì)點(diǎn)、彈簧振子、點(diǎn)電荷、理想氣體等。

2.條件模型：排除物體外部條件的次要影響，把研究對(duì)象的外部條件理想化的模型，如光滑表面、均勻介質(zhì)、絕熱容器、勻強(qiáng)電場(chǎng)、勻強(qiáng)磁場(chǎng)等。

3.過(guò)程模型：忽略物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的次要因素，將物理過(guò)程理想化的物理模型，如勻速直線運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、彈性碰撞、穩(wěn)恒電流、等溫變化等。

第二、構(gòu)建物理模型在教學(xué)中的重要作用

1.構(gòu)建物理模型是培養(yǎng)和提高學(xué)科素養(yǎng)的方式

構(gòu)建物理模型活動(dòng)本身就是一項(xiàng)創(chuàng)造性的思維活動(dòng)，它可以培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、自主探究、分析與綜合、比較、抽象和概括、類比、推理等能力，這些能力正是學(xué)科素養(yǎng)所體現(xiàn)的素養(yǎng)。在高中物理教學(xué)中構(gòu)建物理模型的意識(shí)與培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)是相輔相成、密不可分的。要真正培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)，教師的一言堂的傳統(tǒng)教學(xué)模式要進(jìn)行改革，把構(gòu)建物理模型教學(xué)方法與培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的新教學(xué)理念進(jìn)行深度的融合，通過(guò)“自主學(xué)習(xí)”和“探究性學(xué)習(xí)”的課堂教學(xué)模式，充分挖掘?qū)W生的主動(dòng)參與和創(chuàng)造性的思維活動(dòng)的潛力，讓學(xué)生在構(gòu)建物理模型的過(guò)程中同時(shí)也培養(yǎng)和提高學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

2.準(zhǔn)確地構(gòu)建物理模型是解決物理問(wèn)題的關(guān)鍵

在高中物理教學(xué)實(shí)踐中，高中學(xué)生普遍認(rèn)為高中的物理比較難學(xué)，課堂上老師所講的物理知識(shí)，絕大多數(shù)學(xué)生基本能聽(tīng)懂，筆記也做得很詳細(xì)，但在考試和習(xí)題中解決物理問(wèn)題時(shí)，思路不是很清晰，覺(jué)得無(wú)從下手。究其原因，大多數(shù)學(xué)生在處理物理問(wèn)題時(shí)，不能把題目中所考查的物理模型與所學(xué)知識(shí)和掌握的模型進(jìn)行遷移或遷移不準(zhǔn)確，也就是說(shuō)不能準(zhǔn)確地構(gòu)建相應(yīng)的物理模型，最終導(dǎo)致物理問(wèn)題不能處理或處理不當(dāng)，所以準(zhǔn)確地構(gòu)建物理模型對(duì)解決物理實(shí)際問(wèn)題起到關(guān)鍵性的作用。

3.構(gòu)建物理模型方式有利于減輕學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)

由于升學(xué)壓力，現(xiàn)在的老師和學(xué)生都在搞題海戰(zhàn)術(shù)，這情況讓老師和學(xué)生在身體上和心理上感到很疲憊，有少部分學(xué)生在這種壓力下產(chǎn)生了厭學(xué)的念頭。雖然這種做大量物理習(xí)題的情況很普遍，但細(xì)心的學(xué)生和老師可以發(fā)現(xiàn)班上有一小部分學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識(shí)和考試時(shí)很輕松，在課堂上認(rèn)真聽(tīng)課，按時(shí)完成老師布置的適量作業(yè)，所做物理課外習(xí)題也不多，但考試成績(jī)依然很好。對(duì)于這種付出很多但學(xué)習(xí)效果不理想的學(xué)生，應(yīng)該考慮學(xué)生學(xué)習(xí)物理的方法是否正確，是否高效。其實(shí)這類輕松學(xué)習(xí)物理的學(xué)生在看到物理題目時(shí)，大部分題目都已經(jīng)知道所考物理模型和相應(yīng)模型的物理規(guī)律，他們所用的知識(shí)也是大家平時(shí)所學(xué)的知識(shí)，沒(méi)有特別的地方，只是比別人在構(gòu)建物理模型時(shí)很敏捷，很快速，也準(zhǔn)確，并能靈活的提取、應(yīng)用、置換、遷移物理模型，所以就能在各種考試中拿高分，但這類學(xué)生并沒(méi)做大量習(xí)題，只是做適量的各類典型題目，總結(jié)各類題型的解題方法和思路，最終達(dá)到舉一反三的效果。因此，在理解物理概念和物理規(guī)律的基礎(chǔ)上，要善于尋找所掌握的物理模型來(lái)解決實(shí)際物理問(wèn)題，只有這樣做，才能輕松地學(xué)習(xí)物理知識(shí)并快速、準(zhǔn)確解決物理問(wèn)題，才能真正地減輕學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)。

第三、舉例說(shuō)明物理模型的構(gòu)建

1.質(zhì)點(diǎn)模型（對(duì)象模型）、勻速直線運(yùn)動(dòng)模型和勻變速直線運(yùn)動(dòng)模型（過(guò)程模型）

[例1]汽車在高速公路行駛時(shí)，為了行車安全，汽車之間應(yīng)保持一定的距離。在某段高速公路行駛的最大速度為108 km/h，如果前方的汽車突然停止，后面的汽車駕駛員從發(fā)現(xiàn)這一情況開(kāi)始剎車，其反應(yīng)時(shí)間為0.5s，剎車時(shí)汽車所受的阻力為其重力的0.5倍。求：汽車行駛在這段高速公路上的安全距離至少為多少米？（取g=10m/s²）構(gòu)建物理模型的過(guò)程：

（1）畫(huà)運(yùn)動(dòng)草圖：

（2）構(gòu)建模型：

構(gòu)建模型一：汽車（質(zhì)點(diǎn)模型）在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，則可以用勻速直線運(yùn)動(dòng)模型規(guī)律進(jìn)行解決。

構(gòu)建模型二：汽車以某一速度剎車做減速運(yùn)動(dòng)，這一情景通過(guò)理想化后汽車是做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，則可以用勻減速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行解決（由于這一過(guò)程是動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，所以用牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律聯(lián)合進(jìn)行解決）。

（3）解題過(guò)程：

2.自由落體運(yùn)動(dòng)模型、豎直上拋運(yùn)動(dòng)模型（過(guò)程模型）

[例2]某跳水運(yùn)動(dòng)員從10m高的跳臺(tái)上跳起，伸直雙臂時(shí)其重心位于手到腳全長(zhǎng)的中點(diǎn)，跳起后其重心升高0.45 m達(dá)到最高點(diǎn)，落水時(shí)手先進(jìn)入水面（忽略運(yùn)動(dòng)員水平方向的運(yùn)動(dòng)且身體始終保持豎直）。求運(yùn)動(dòng)員從離開(kāi)跳臺(tái)到手指接觸水面過(guò)程中所用的時(shí)間。（g取10 m/s²，結(jié)果保留三位有效數(shù)字）

構(gòu)建物理模型的過(guò)程：

（1）畫(huà)運(yùn)動(dòng)草圖：

（2）構(gòu)建模型：

把運(yùn)動(dòng)員看作質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)做豎直上拋運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可分為兩個(gè)階段：上升階段的運(yùn)動(dòng)模型為勻減速直線運(yùn)動(dòng)，下降階段的運(yùn)動(dòng)模型為自由落體運(yùn)動(dòng)，分別求出各段的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，兩段時(shí)間之合為運(yùn)動(dòng)員在整個(gè)過(guò)程中所用的時(shí)間;此題也可以用整體處理，整個(gè)過(guò)程的初速度向上，加速度向下，全程可用勻減速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行解題。

（3）解題過(guò)程：

3.帶電粒子在磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)模型（條件模型）

[例3]如圖所示，在坐標(biāo)區(qū)域y<0范圍內(nèi)存在垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，該區(qū)域磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，一帶負(fù)電粒子的電量為q、質(zhì)量為m，與x軸正方向的夾角為θ（單位為弧度）的速度v。從圓心O點(diǎn)垂直射入磁場(chǎng)（忽略粒子重力的影響），求：

（1）該粒子射出磁的位置：

（2）該粒子在磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。

構(gòu)建物理模型的過(guò)程

（1）畫(huà)運(yùn)動(dòng)草圖：

（2）構(gòu)建模型：

當(dāng)帶電粒子所受的重力忽略不計(jì)和磁場(chǎng)為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，是把物體所處的條件進(jìn)行理想化，在這種理想的情況下帶電粒子在僅受洛倫茲力的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則可構(gòu)建勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型。

①在結(jié)合三角形的幾何關(guān)系可求出OA的長(zhǎng)度，從而可得射出點(diǎn)A的坐標(biāo);

②再結(jié)合勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期公式和圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角可求出粒子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。

從以上三個(gè)實(shí)例得出構(gòu)建物理模型的基本思路：首先從物理的實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，通過(guò)審題，初步形成簡(jiǎn)化后的物理情景，再根據(jù)物理情景畫(huà)出運(yùn)動(dòng)草圖或受力分析圖（這一步對(duì)構(gòu)建物理模型起到很重要作用），然后根據(jù)所學(xué)的物理知識(shí)和已掌握的物理模型進(jìn)行比對(duì)和全方位的思考從而構(gòu)建出相應(yīng)的物理模型，再一步一步地展開(kāi)書(shū)寫過(guò)程和不斷思考和檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性，如在展開(kāi)的過(guò)程中出現(xiàn)模型構(gòu)建不準(zhǔn)確應(yīng)加以修正，最后正確地寫出解題的全過(guò)程。

總之，在高中物理教學(xué)中，對(duì)實(shí)際物理問(wèn)題進(jìn)行分析和處理時(shí)，都離不開(kāi)對(duì)物理問(wèn)題進(jìn)行構(gòu)建物理模型。在物理教學(xué)實(shí)踐中，應(yīng)不斷培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建物理模型的思維，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)復(fù)雜的物理問(wèn)題能夠進(jìn)行理想化處理的能力，正確運(yùn)用科學(xué)、抽象的思維方法去處理實(shí)際物理問(wèn)題，從而培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際物理問(wèn)題的思維和能力，不斷提高學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。所以構(gòu)建物理模型在高中物理教學(xué)中具有重要地位和意義。