高中常用物理模型歸納

陳金朋

摘 要：高中物理教學研究對象是自然界基本的物質(zhì)結構和普通的運動形式，而在實際生活和生產(chǎn)中物體、條件和過程復雜多變，對物體、條件和過程的研究就要抓住其主要特征，而舍去一些次要因素進行合理的簡化。在教學時，將這一簡化過程，稱為構建物理模型。由于物理模型是同類通性問題的本質(zhì)體現(xiàn)和核心歸納，構建物理模型一直是中學物理教學的重要內(nèi)容，它對提高課堂效率，培養(yǎng)學生能力很有作用。本文通過結合具體題例，對高中階段三種常用物理模型的分析，探究如何培養(yǎng)和激發(fā)學生創(chuàng)新能力的方法。

關鍵詞：構建物理模型；抓住主要特征；舍去次要因素；培養(yǎng)創(chuàng)新能力

作為一線物理教師都清楚，解決物理問題通?？煞譃樗膫€環(huán)節(jié)：審視物理情景；構建物理模型；轉(zhuǎn)化為數(shù)學問題；還原為物理結論。而在這四個環(huán)節(jié)中，學生最難掌握的是構建物理模型。構建物理模型就是在物理教學研究中，為了研究問題的需要，抓住原型問題的主要特征，而舍去一些次要因素，合理的簡化然后用它代替原型進行研究的過程。例如：人跑步、輪船在大海中航行，可以把人、輪船當成質(zhì)點；籃球水平拋出時，就只要考慮籃球所受到的重力，不必考慮籃球受到的空氣阻力；運動員的跳水問題也可以簡單看成是一個“豎直上拋”運動物理模型。因此不難看出物理模型是同類通性問題的本質(zhì)體現(xiàn)和核心歸納，高中常用物理模型可歸納為以下三種模式：

1 對象模型

對象模型就是把研究對象本身理想化，用來代替由具體物質(zhì)組成的實體系統(tǒng)。常用的如“力學”質(zhì)點、輕桿、輕繩、輕彈簧、彈簧振子、單擺；“熱學”理想氣體、絕熱物質(zhì)；“光學”光線、點光源；“電磁學”點電荷、理想電表、理想變壓器、勻強電場、勻強磁場；“原子物理”盧瑟福行星式模型、波爾的原子模型等等。學生對上述的對象模型理解，合理的抽象，就可以快速構建物理模型，輕松解題。如已知在豎直墻壁上掛著一幅長1.80m的畫，畫本身的質(zhì)量為100g，下端畫軸質(zhì)量為200g，將它沿墻緩慢豎直卷起，取g=10m/s2，需要做多少焦耳的功 [1 ]。許多學生拿到題目后，不知從何處入手，這就是他不能有效地構建對象模型。這時，我們教師應要啟發(fā)學生抓住主要特征，稍微對學生點撥一下：本道物理題目中緩慢豎直卷起的畫，可拆解為兩部分：第一部分卷起“1.80m，100g的畫”看成抬高“0.90m，100g的質(zhì)點”。第二部分卷起“下端的200g畫軸”看成同時舉高“1.80m，200g的質(zhì)點”，模型構建起來后，解這道題就輕松多了。這樣，教師既澄清了學生解這類題目的思路，又培養(yǎng)了學生的能力。

2 條件模型

條件模型就是把研究對象所處的外部條件理想化，突出影響研究對象運動的本質(zhì)特征和主要因素，排除影響研究對象運動變化的次要成份，從而構建的物理模型。常用的如“拋”“跳”運動，可以忽略了空氣阻力和風力的影響，只要考慮物體受重力作用；帶電粒子在電磁場中運動只要考慮電場力、磁場力作用，而忽略了重力的影響；人體心臟收縮可簡化為“做功活塞”等等。如圖1所示，勻強磁場的邊界為平行四邊形ABCD，其中AD邊與對角線BD垂直，一束電子以大小不同的速度沿BD從B點射入磁場，試討論電子在磁場中運動時間與射出位置的關系 [2 ]。要解本題需要忽略電子的重力和電子間的相互作用，只考慮洛倫茲力的作用，電子做勻速圓周運動，討論在AB邊或AD邊射出的兩種不同情況就可以。作為教師就要嘗試用多種手段去幫助學生抓住原型問題的主要特征，而舍去一些次要因素，合理簡化研究對象所處的外部條件，從而提高課堂效率，事半功倍。

3 過程模型

過程模型就是把具體物理過程理想化。理想化的物理現(xiàn)象或過程有：勻速直線運動、勻變速直線運動、勻速圓周運動，平拋運動、簡諧振動等，高中物理教學常把上述運動的一個或幾個過程組合加以命題，考查學生的分析問題的能力。2011年廈門聯(lián)考卷中有：如圖2所示豎直平面內(nèi)有相互垂直的勻強電場和勻強磁場，電場強度E1=2500N/C方向豎直向上；磁感應強度B=103T，方向垂直紙面向上，有一質(zhì)量m=1×10-2kg電荷量q=4×10-5C的帶正電小球自O點沿與水平線成45°角以v0=4m/s的速度射入復合場中，之后小球恰好從P點起進入電場強度E2=2500N/C，方向水平向左的第二個勻強電場中，不計空氣阻力，g取10 m/s2，求：（1）O點到P點的距離s1；（2）帶電小球經(jīng)過P點的正下方Q點時與P點距離s2。

本題在當年我?？荚嚂r，得分情況很不理想，歸根結底是學生不能有效地進行過程分析，構建過程模型的結果，在O到P的過程中，由于小球受的重力和電場力大小相等，方向相反，相互抵消，只受洛倫茲力作用，小球做勻速圓周運動；在P到Q的過程中，由于小球的重力和電場力的合力與射到P點的速度垂直，小球做類平拋運動。只要這兩個過程分析出來，構建起模型解這道題目也就不難了。可見，在高中物理教學中，注重把具體物理過程合理抽象轉(zhuǎn)換成理想化的物理現(xiàn)象或過程是十分重要的，是我們教師首先要牢固掌握并熟練運用的教學手段。

上述的三種構建物理模型方式，不管哪一種都是一項創(chuàng)造性的思維活動能力，加強對常規(guī)模型的分析、探討和挖掘是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的根本；而對“物理模型”的遷移和應用、重組“物理模型”，不斷激發(fā)學生的靈感，探索方法是創(chuàng)新能力的特質(zhì)；升華構建新的物理模型是教學的最高目標，最終指向。

在平時教學中，我們往往對物理模型的研究范疇和著眼點只局限于單一知識板塊，如“子彈打擊木塊的模型及其應用”，“汽車運動兩個模型”“斜面問題”的研究等等。這樣看似也是許多模型的構建與應用，雖然也會幫助提高解決問題的效率，但學生對眾多物理模型的組合畢竟只能呈現(xiàn)無序狀態(tài)，沒有系統(tǒng)，導致學生只能照搬硬套，囫圇吞棗。這樣當解題條件有所變化時，學生就無法識別模型，而往往難以入手。

總之，一線物理教師要更加充分認識構建物理模型的必要性，有的放矢，合理遷移、應用和重組“物理模型”不斷激發(fā)學生的靈感，從而更有效提高課堂教學效率和培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力。

參考文獻：

[1]宋樹杰.新課標高中物理2（必修）導與學（福建專版）[M].濟南：山東科學技術出版社，2012.

[2]宋樹杰.新課標高中物理（選修3-2）導與學（福建專版）[M].濟南：山東科學技術出版社，2012.