高中物理模型的建構(gòu)及教學(xué)方法

摘?要：?高中物理教學(xué)注重物理模型建構(gòu)，不僅有助于加深學(xué)生對(duì)物理情境的認(rèn)識(shí)與理解，提升學(xué)生的科學(xué)思維，而且有助于其更加高效地解決相關(guān)的物理問題，提升其物理解題能力.高中物理教學(xué)中應(yīng)做好物理模型的總結(jié)，并積極采取針對(duì)性教學(xué)方法，更好地加深學(xué)生印象，提高其運(yùn)用物理模型解題的意識(shí)，為其物理解題以及學(xué)習(xí)成績(jī)的提升奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞：?高中物理;模型建構(gòu);教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：?G?632?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A?文章編號(hào)：?1008-0333（2022）12-0077-03

收稿日期：?2022-01-25

作者簡(jiǎn)介：?何爾松（1970.1-），男，福建省福清人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，從事高中物理教學(xué)研究.

高中物理設(shè)計(jì)很多的模型，主要有彈簧模型、輕桿、管道模型、傳送帶模型、碰撞模型、磁偏轉(zhuǎn)模型等.實(shí)踐中應(yīng)做好這些模型的建構(gòu)，使學(xué)生牢固掌握物理模型的推導(dǎo)過程，更好地理解相關(guān)物理模型本質(zhì)以及不同物理模型適用的題型，使其在以后的解題中少走彎路，有效地切入.

1 高中物理模型的建構(gòu)

1.1 彈簧模型

彈簧是高中物理中非常常見的對(duì)象.為更好地解答有關(guān)彈簧類的物理問題，構(gòu)建彈簧模型尤為重要.構(gòu)建彈簧模型主要從受力以及能量?jī)蓚€(gè)方面考慮.其中在受力方面，彈簧既能產(chǎn)生拉的作用，也能產(chǎn)生彈力的作用.需要注意的是由胡克定律可知F=kΔx，彈簧拉伸長(zhǎng)度以及壓縮長(zhǎng)度相同時(shí)產(chǎn)生力的作用大小相等，方向相反.如圖1所示，平面光滑，O為彈簧原長(zhǎng)且OM=ON，則在M、N兩點(diǎn)物塊受到彈簧彈力的大小相等.另外，彈簧形變變化需要一定時(shí)間，因此，彈簧的力不能突變.從能量角度來看，彈簧是一種儲(chǔ)存能量的裝置，即，當(dāng)物體壓縮彈簧，彈簧儲(chǔ)存能量.當(dāng)彈簧恢復(fù)的過程中能量被逐漸釋放.如不考慮摩擦力作用，彈簧可在保持物體能量不變的情況下改變物體運(yùn)動(dòng)方向.如圖2所示，平面光滑物塊以速度v向左壓縮彈簧，彈簧恢復(fù)原長(zhǎng)后物塊以速度大小v向右運(yùn)動(dòng).

1.2 輕桿、管道模型

這里所說的輕桿管道模型是物體在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)的情境.因輕桿和管道在最高點(diǎn)，既可以對(duì)物體產(chǎn)生拉的作用，也可產(chǎn)生向外的支撐作用.由物體做圓周運(yùn)動(dòng)所需向心力F?向?=mv?2?/R可知，在最高點(diǎn)當(dāng)滿足mg+F?彈?=mv?2?/R時(shí)輕桿會(huì)產(chǎn)生拉的作用，管道對(duì)物體的彈力豎直向下.當(dāng)滿足mg-F?彈?=mv?2?/R時(shí)輕桿產(chǎn)生支撐作用，管道對(duì)物體的彈力豎直向上，需要注意是物體在最高點(diǎn)的速度可以是零.這一點(diǎn)與輕繩連接下物體在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)的情境不同，如為輕繩，在最高點(diǎn)物體做圓周運(yùn)動(dòng)的臨界條件為v?min?=?gR?.

1.3 傳送帶模型

傳送帶模型是高中物理難度較大的一類模型，包括水平傳送帶，傾斜傳送帶兩種情境.為更好地解決傳送帶問題，構(gòu)建如圖3所示的傳送帶模型：

另外，究竟物體何時(shí)與傳動(dòng)帶共速以及共速后還能運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間，需要結(jié)合物體和傳送帶的運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)用勻加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律計(jì)算確定.

1.4 碰撞模型

研究碰撞模型，主要運(yùn)用動(dòng)量守恒定律，機(jī)械能守恒定律，探討碰撞后物體的運(yùn)動(dòng)方向以及速度大小.平面上存在A、B兩個(gè)小球，A球的質(zhì)量為m?1?，速度為v?1?，B球的質(zhì)量為m?2?，速度為v?2?且（v?1?>v?2?），碰撞后的速度分別為v′?1，v′?2，若無能量損失，則由動(dòng)量守恒定律可得：m?1?v?1?+m?2?v?2?=m?1?v′?1+m?2?v′?2，由能量守恒定律可知，?1?2?m?1?v?1??2?+?1?2?m?2?v?2??2?=?1?2?m?1?v?′2??1+?1?2?m?2?v?′2??2，聯(lián)立解得：v′?1=?（m?1-m?2）v?1+2m?2v?2?m?1+m?2?，v′?2=?（m?2-m?1）v?2+2m?1v?1?m?1+m?2?.顯然兩球碰撞后的速度情況和其質(zhì)量大小有關(guān).具體可由學(xué)生自己分析.?1.5 磁偏轉(zhuǎn)模型

帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)因受到洛倫茲力的影響而做圓周運(yùn)動(dòng).其中粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑以及周期分別為R=mv/qB，T=2πm/qB.磁偏轉(zhuǎn)模型中確定粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的圓心是解題的關(guān)鍵.確定圓心后結(jié)合幾何便可求出其運(yùn)動(dòng)的半徑，其他參數(shù)便不難計(jì)算出來.

2 高中物理模型教學(xué)方法

2.1 注重模型構(gòu)建過程中的互動(dòng)

高中物理模型建構(gòu)是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，學(xué)生分析問題的能力要求較高.實(shí)踐中為增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，應(yīng)做好合理的教學(xué)規(guī)劃，尤其在模型建構(gòu)過程中應(yīng)注重靈活運(yùn)用相關(guān)的工具，并做好與學(xué)生的互動(dòng)，激活高中物理課堂，使學(xué)生全身心地投入到模型學(xué)習(xí)中.一方面，圍繞要講解的模型制作動(dòng)態(tài)的多媒體課件.增加其學(xué)習(xí)的趣味性，降低其理解難度.另一方面，構(gòu)建模型的過程中應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生參與其中，圍繞模型情境設(shè)計(jì)相關(guān)問題，把握模型細(xì)節(jié)，提高其在解題中應(yīng)用的正確率.

2.2 給予模型學(xué)習(xí)過程中的引導(dǎo)

高中物理模型較多，僅僅靠死記硬背相關(guān)的模型結(jié)論是不行的，因此實(shí)踐中應(yīng)注重給予學(xué)生模型學(xué)習(xí)過程中的引導(dǎo)，使其真正地學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，將學(xué)習(xí)到的模型理論轉(zhuǎn)化為解題技能.一方面，與學(xué)生一起完成物理模型構(gòu)建后要求其做好物理模型的整理，分析相關(guān)結(jié)論成立的條件，分享對(duì)物理模型的認(rèn)識(shí)，及時(shí)糾正理解上的誤區(qū).另一方面，提高學(xué)生運(yùn)用物理模型分析、解答物理問題的意識(shí)，尤其注重總結(jié)不同物理模型解題的相關(guān)細(xì)節(jié).?2.3 做好課堂例題的優(yōu)選與精講

高中物理教學(xué)中提高學(xué)生運(yùn)用物理模型解答習(xí)題的意識(shí)與能力尤為關(guān)鍵.一方面，注重篩選綜合性較強(qiáng)的物理題目.另一方面，講解例題時(shí)先給學(xué)生預(yù)留時(shí)間，要求其根據(jù)自身理解進(jìn)行解答，而后與學(xué)生一起剖析解題過程，詳細(xì)地展示解題過程，尤其要求學(xué)生多問為什么，認(rèn)真揣摩列出的物理方程，真正的吃透與理解.

例如，如圖4所示，A、B是光滑足夠長(zhǎng)的水平軌道，右側(cè)和足夠長(zhǎng)的傳送帶平滑相連（物體經(jīng)過此處無機(jī)械能損失），傳送帶的傾角θ=37°.左側(cè)和半徑R=0.05?m?豎直光滑半圓軌道相連.使用輕繩連接可視為質(zhì)點(diǎn)的甲、乙兩物體，質(zhì)量分別為m?1?=2?kg?，m?2?=1?kg?，中間夾一被壓縮的彈簧，彈簧?和兩物體不連接.起初兩物體均靜止在水平面上.傳送帶和乙物體的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.5，重力加速度為10?m/s?2.

（1）固定甲物體，傳送帶靜止，燒斷細(xì)線，乙物體在傳送帶上滑動(dòng)的最遠(yuǎn)距離s=0.3?m?，求彈簧壓縮時(shí)彈性勢(shì)能大小.

（2）固定乙物體，松開甲物體，燒斷細(xì)線，甲物體進(jìn)入半圓軌道，求物體甲運(yùn)動(dòng)至D點(diǎn)時(shí)對(duì)軌道的壓力大小.

（3）傳送帶順時(shí)針運(yùn)動(dòng)速度v=1?m/s?，甲、乙兩物體均不固定，燒斷細(xì)線后乙物體沿傳動(dòng)帶運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)的過程中摩擦產(chǎn)生的熱量.

問題（1）符合彈簧模型.彈簧伸長(zhǎng)后儲(chǔ)存的能量均轉(zhuǎn)化為乙物體的動(dòng)能，由能量守恒可知E?p?=?1?2?m?2?v?2??1?，?由牛頓第二定律可知m?2g?sin?θ+μm?2?g?cos?θ=m?2?a，由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可知s=v?1??2?/2a，聯(lián)立代入數(shù)據(jù)得到：E?p?=3?J?.

問題（2）由彈簧儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能，可求得物體甲獲得的動(dòng)能，即，E?p?=?1?2?m?1?v?2??2?，從B到D由機(jī)械能守恒可得，?1?2?m?1?v?2??2?=2m?1?gR+?1?2?m?1?v?2??D?，設(shè)軌道對(duì)甲物體的彈力為N，由圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知，N+m?1?g=?m?1?v?2??D?/R，?由牛頓第三定律可知，物體甲對(duì)軌道的壓力N′=N，聯(lián)立代入數(shù)據(jù)解得N′=20?N?.

問題（3）符合傳送帶模型.根據(jù)動(dòng)量守恒定律以及能量守恒得到：m?1?v?甲?=m?2?v?乙?，E?p?=?1?2?m?1?v?2??甲?+?1?2?m?2?v?乙??2?，?聯(lián)立解得v?乙?=2?m/s?.v?乙?>v，物體乙和傳送帶共速之前由牛頓第二定律可得m?2g?sin?θ+?μm?2?g?cos?θ?=m?2?a?1?，a?1?=10?m/s??2?，共速運(yùn)用的時(shí)間t?1?=（v?乙?-v）/a?1?=0.1?s?，其相對(duì)于傳送帶的位移Δx?1?=v?乙?t?1?-?1?2?a?1?t?1??2?-vt?1??=0.05?m?.共速后以a?2?繼續(xù)作勻減速運(yùn)動(dòng)，則m?2g?sin?θ-μm?2?g?cos?θ=m?2?a?2?，解得a?2?=2?m/s??2?，減速至速度為零時(shí)t?2?=v/a?2?=0.5?s?，相對(duì)傳?送帶的位移Δx?2?=vt?2?-v?2?/2a?2?=0.25?m?.則物體乙運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)過程中摩擦產(chǎn)生的熱量Q=μm?2?g?cos?θ（Δx?1??+Δx?2?）=?1.2?J?.

2.4 組織學(xué)生開展專題訓(xùn)練活動(dòng)

高中物理模型建構(gòu)教學(xué)中為使學(xué)生能夠融會(huì)貫通，舉一反三，靈活地運(yùn)用物理模型解答各種物理問題，應(yīng)注重積極組織學(xué)生開展專題訓(xùn)練活動(dòng)，使學(xué)生在訓(xùn)練的過程中體會(huì)犯錯(cuò)、糾錯(cuò)過程，逐漸地澄清對(duì)相關(guān)物理模型的深入理解，積累運(yùn)用物理模型解題的技巧，促進(jìn)物理解題能力的有效提升.

高中物理模型建構(gòu)教學(xué)中為確保教學(xué)目標(biāo)的順利達(dá)成應(yīng)做好充分的教學(xué)準(zhǔn)備，做好物理模型的匯總，結(jié)合具體教學(xué)進(jìn)度與學(xué)生一起完成物理模型的建構(gòu)，使學(xué)生真正地理解與掌握，而非死記硬背相關(guān)結(jié)論.同時(shí)，圍繞經(jīng)典例題展示物理模型的應(yīng)用過程，并積極組織學(xué)生開展針對(duì)性的訓(xùn)練活動(dòng)，趁熱打鐵，提高學(xué)生應(yīng)用意識(shí)，使其積累豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn).

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[責(zé)任編輯：李?璟]