建模思想在高中物理教學中的應用初探

(江蘇省宜興市陽羨高級中學，江蘇 宜興 214200)

建模思想在高中物理教學中的應用初探

張燕尹聰

(江蘇省宜興市陽羨高級中學，江蘇 宜興 214200)

建模是對研究對象、物理過程和物理規(guī)律等進行模型化處理的過程，本文探討了建模思想在高中物理教學中的作用、意義和構建物理模型的常用方法，結合實例，展示了建模思想在高中物理教學中的應用。

高中物理；建模思想；物理教學

建模是指在研究客觀存在問題時，透過問題的表象來闡明事物的本質，建立理想模型解決實際問題。吉爾伯特(Gilbert)認為物理學是研究物理現象和規(guī)律的自然科學，而科學本身是建模過程。為了弄清研究中的物理問題，我們往往需要忽略一些次要因素，抓住主要因素，建立物理模型來解決問題。

1 建模思想在高中物理教學中的作用和意義

1.1 幫助學生明晰問題

在高中物理學習過程中，有很多學生能理解知識但不會做，其原因是對知識的理解不夠，分析問題不到位。通過建模可以使學生分析和理解物理問題的能力越來越強，尤其是對于復雜而抽象的問題，模型的建立可以簡化問題，抽象具體。比如天體運動，我們沒有看到物體如何運動，但我們知道有些天體運動軌跡是橢圓，其偏心率很小，則可以簡化為勻速圓周運動模型來進行處理，這樣更方便我們理解天體運動。

1.2 提高學生解決問題的能力

一個物理模型要經過反復實驗、總結和改進，從而得出正確的模型。在實際過程中學生可以體會到科學的奧秘與探索的艱辛。這樣不僅可以提高學生的應變能力，還能提高他們的邏輯思維能力和運用科學方法解決問題的能力。

1.3 提高學生解決未知事物的創(chuàng)新能力

物理建模是一個探究未知規(guī)則的過程，在這個過程中沒有捷徑，是一個新的創(chuàng)造過程。這樣開放思維的探索過程對學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)非常有利，同時在老師的幫助指導下，每一次成功，能讓學生體驗到學習的樂趣，而且還可以提高他們學習物理的信心和興趣。

2 構建物理模型的常用方法

在模型教學中，教師首先要說明建立模型是研究問題的有效方法。其次，有必要明確每個模型是如何通過抽象建立的，每個研究對象被抽象成相應的模型。至于應該采用什么樣的建模方法取決于問題本身的性質和研究的需要，通過忽略次要因素、抓住主要因素，使研究對象轉化為熟悉而簡單的物理模型，然后運用數學等方法使問題得以順利解決，常用方法如下。

2.1 科學抽象法

科學抽象是提取事物的主要方面或屬性，而忽略一些次要因素。例如：從南京到北京的列車運行過程中，為了便于研究，忽略其長度，列車可以抽象成質點模型；在研究物體運動時，我們要考慮接觸面光滑的問題；我們注意到，下落物體所受空氣阻力相對于重力是非常小的，可以忽略不計，所以可抽象成自由落體運動模型。

2.2 微元法

在研究物理學中的一些復雜問題時，有時需要研究許多小單元，在這個過程中，小的變化通過積累，可得到整個研究對象或物理規(guī)律變化的全過程。例如：x=vt位移公式用于研究勻速直線運動，當研究勻變速直線運動位移和時間的關系時，教師可以讓學生畫出v-t圖像，無限分割成許多小的部分，每段時間都很短，因此可以近似把每段看成是勻速直線運動，我們可以通過面積求和，求出勻變速直線運動的位移，而且還可以擴展到變速直線運動。

2.3 等效替代法

在高中物理教學中，許多教師都發(fā)現了這樣一種現象，有的學生在學習物理概念和規(guī)律時認識不到位，雖然物理知識比較簡單，但學生不能表達清楚。在許多物理問題中所包含的物理模型是相似的，如果他們在本質上是相同的，我們可以通過分析，找出它們的共性，從而將問題簡化。等效方法可以簡化復雜的物理問題，給我們帶來極大的方便。

2.4 類比法

類比是比較相同或相似的事物，根據兩個事物的相似性推斷出它們在其他方面可能有類似的屬性。

3 建模思想在高中物理教學中的應用

3.1 條件模型

物理模型是建模思想的產物，因為它是在一定條件下構建的，所以只能在一定條件下使用。物理模型的建立可以簡化復雜問題。當然，實際事物作為理想模型來處理，要根據具體情況進行分析。

(1) 研究對象的模型化

質點模型、原子模型、理想氣體模型等均屬“對象模型”。它的特點是將研究對象簡化成某種理想模型，從而使問題簡化、直觀、形象。

(2) 條件的模型化

物理過程總是在一定條件下發(fā)生，將條件理想化以便突出主要的物理現象與過程，這便是條件模型方法，例如“光滑”“均勻”“輕質”等均屬條件模型。

例1：用r表示兩個分子間的距離，EP表示兩分子間相互作用勢能，當r=r0時兩分子間斥力等于引力。設兩分子距離很遠時EP=0，則( )。

A. 當r>r0時，EP隨r的增大而增加

B. 當r

C. 當r>r0時，EP不隨r而變

D. 當r=r0時，EP=0

解析：我們將研究對象——相互作用的兩分子抽象為一個輕質彈簧聯(lián)系著兩個小球的物理模型，當彈簧不伸長時，即相當于兩分子距離r=r0，引力等于斥力；若r>r0時，相當于拉伸彈簧，顯然勢能增加；若r

3.2 過程模型

過程模型是將復雜的過程抽象為簡單的物理過程模型。例如勻速直線運動、自由落體運動、勻速圓周運動、簡諧運動等均屬過程模型。

圖1

例2：如圖1所示，A、B棒長均為1m，A的下端距離B的上端S=20m。若A棒自由下落的同時，B棒以初速度v0=20m/s豎直向上拋出，求兩棒從開始相遇到分離的時間。

4 結語

在建立物理模型的過程中，應根據不同的實際問題，建立正確的模型，從而實現問題的簡化。解決物理問題包括：確定研究對象，忽略次要因素，總結物理規(guī)律，建立物理模型。總之，建模思想可以幫助學生運用知識，提高他們解決問題的能力。

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