基于“物理模型”在“電磁感應(yīng)”教學(xué)中的建構(gòu)探討

陳克利

摘 要：物理模型是中學(xué)物理知識、思維方法的載體，構(gòu)建物理模型不僅有助于學(xué)生形成完整的知識體系，而且還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。當(dāng)前高中物理教學(xué)偏重于概念的形成，規(guī)律的掌握，而對于物理模型的建構(gòu)一直處在被忽視的狀態(tài)，即使有也是簡單機(jī)械地局限于模型的定義和數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)而已，缺乏科學(xué)指導(dǎo)。由于電磁感應(yīng)中綜合應(yīng)用知識倚重于物理模型的建構(gòu)，故本文基于“物理模型”在“電磁感應(yīng)”教學(xué)中的建構(gòu)進(jìn)行探討，以期培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)；思維障礙；物理概念；思維定勢；物理建模；策略

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）5-0069-4

物理模型是中學(xué)物理知識、思維方法的載體，是根據(jù)所研究問題的需要，把實(shí)際研究對象及其狀態(tài)過程等進(jìn)行合理抽象的一種簡化描述和模擬[1]?；趩栴}解決的角度，可將物理模型劃分為理想模型和理論模型這兩類[2]。此外，還可以將物理模型分為實(shí)體物理模型、狀態(tài)物理模型和過程物理模型[3]。

物理學(xué)的發(fā)展史是科學(xué)家們大膽質(zhì)疑、猜想、構(gòu)思和不斷創(chuàng)新科學(xué)模型且不斷完善的過程[4]。而物理模型的建立是抽象思維和形象思維相結(jié)合、統(tǒng)一的結(jié)果，是在以科學(xué)知識和實(shí)驗(yàn)事實(shí)為依據(jù)，經(jīng)過一系列科學(xué)方法（如分析與綜合、抽象與概括、演繹與推理等）邏輯推理認(rèn)證的基礎(chǔ)上建立的，是知識與思維的產(chǎn)物[5]。因此，構(gòu)建物理模型不僅有助于學(xué)生形成完整的知識體系，而且還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

當(dāng)前高中物理教學(xué)偏重于概念的形成，規(guī)律的掌握，而對于物理模型的建構(gòu)一直處在被忽視的狀態(tài)，即使有也是簡單機(jī)械的，局限于模型的定義和數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)而已，缺乏科學(xué)指導(dǎo)。

由于電磁感應(yīng)中綜合應(yīng)用知識倚重于物理模型的建構(gòu)，故下面就談?wù)剺?gòu)建物理模型的流程及針對電磁感應(yīng)不同研究對象建構(gòu)幾種有效模型，以期幫助學(xué)生建構(gòu)“電磁感應(yīng)”物理模型，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

1 物理模型的建構(gòu)設(shè)計(jì)

物理模型由“思維方法”“理論內(nèi)涵”和“表征方式”三個基本要素構(gòu)成。其中，思維方法有“理想化方法”“類比方法”“極限方法”和“等效方法”等，理論內(nèi)涵則包括“物理現(xiàn)象”以及“概念和規(guī)律”，而表征方式指的是物理模型呈現(xiàn)的方式，通常以文字、數(shù)學(xué)表達(dá)式和圖形的方式呈現(xiàn)。教師在引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建物理模型的教學(xué)中，一定要遵循物理模型的特點(diǎn)，借助于物理方法，依據(jù)物理理論，顯現(xiàn)于物理表征，逐步完善深入學(xué)習(xí)[6]。

圖1是構(gòu)建物理過程的基本流程，指導(dǎo)學(xué)生建模時可適當(dāng)參考。

構(gòu)建物理模型流程圖具體分析：

（1）模型的表征階段

確定研究的對象，預(yù)設(shè)構(gòu)建模型的類型，分析對應(yīng)的狀態(tài)：如平衡態(tài)和非平衡態(tài)；研究運(yùn)動的過程：直線運(yùn)動、平拋運(yùn)動、圓周運(yùn)動還是一般的曲線運(yùn)動；同時兼顧相互作用對象之間的關(guān)聯(lián)：如速度關(guān)聯(lián)、加速度關(guān)聯(lián)、位移關(guān)聯(lián)和受力關(guān)聯(lián)等。分析時可借助方程、數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)表達(dá)式、示意圖等來表征這些變量。

（2）模型形成階段

正確運(yùn)用運(yùn)動學(xué)規(guī)律、牛頓運(yùn)動定律、功能關(guān)系和能量守恒定律關(guān)系，通過這些表達(dá)式來反饋構(gòu)建的過程。表達(dá)式通常有三種類型：狀態(tài)表達(dá)式、過程表達(dá)式和相互作用的關(guān)聯(lián)表達(dá)式。對于狀態(tài)，無非是平衡態(tài)與非平衡態(tài)。是平衡態(tài)，則合外力一定等于零；是非平衡態(tài)，則合外力等于物體質(zhì)量與加速度的乘積。而過程的表達(dá)式可以根據(jù)功能關(guān)系或者能量守恒定律來表示。相互作用關(guān)聯(lián)表達(dá)式則是尋找受力關(guān)系、加速度關(guān)系、速度關(guān)系、位移關(guān)系等。

（3）模型深化階段

引導(dǎo)學(xué)生辨別和分析不同的物理模型表征方式，體會構(gòu)建物理模型的思維過程，分析模型包含的物理現(xiàn)象及概念和規(guī)律，深刻理解模型內(nèi)涵。

（4）模型的應(yīng)用階段

運(yùn)用不同的物理模型來解決相應(yīng)的物理問題，例如，“電磁感應(yīng)”中的力學(xué)模型、“電磁感應(yīng)”中的電路模型、“電磁感應(yīng)”中的能量模型、“電磁感應(yīng)”中的圖像模型等。建構(gòu)模型，關(guān)注生活，服務(wù)于社會。

2 建構(gòu)“電磁感應(yīng)”知識物理模型

2.1 建構(gòu)“電磁感應(yīng)”中的動力學(xué)模型

第一，模型表征

如圖2所示，以圖形“導(dǎo)軌+桿”形式呈現(xiàn)，研究的對象有電學(xué)對象和力學(xué)對象，通常力學(xué)對象是導(dǎo)體棒，而電學(xué)對象是導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌構(gòu)成的整個閉合回路。

第二，構(gòu)建模型過程

構(gòu)建這類模型的關(guān)鍵在于通過對力學(xué)對象的運(yùn)動狀態(tài)（例如，加速度的最大或最小、速度的最大或最小的一些臨界狀態(tài)）、運(yùn)動過程和相互作用關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析，完成建模的目標(biāo)，即確立研究對象的狀態(tài)方程、過程方程及相互作用的約束方程。

①狀態(tài)分析：兩種狀態(tài)及處理方法（如表1所示）

②建立力學(xué)對象和電學(xué)對象間關(guān)聯(lián)（如圖3所示）：在電磁感應(yīng)動力學(xué)模型中，電磁現(xiàn)象和力現(xiàn)象相互關(guān)聯(lián)、影響及制約，其模型形式為：導(dǎo)體相對于磁場運(yùn)動—發(fā)生電磁感應(yīng)—產(chǎn)生感應(yīng)電動勢—在閉合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電流—電流在磁場中受到安培力—阻礙導(dǎo)體相對運(yùn)動。

③思維方法：解決“電磁感應(yīng)”中的動力學(xué)模型的一般思路是“先電后力”，具體思路如圖4所示：

2.2 建構(gòu)“電磁感應(yīng)”中的電路模型

1.模型表征：閉合導(dǎo)體回路中由于磁場發(fā)生變化或者回路中一部分導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動而導(dǎo)致穿過回路的磁通量發(fā)生了變化，回路中產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，則回路中就有了電流。根據(jù)導(dǎo)體回路的結(jié)構(gòu)關(guān)系，討論電流、電壓、功率、電功、焦耳熱等類問題，當(dāng)然可能進(jìn)一步會涉及電磁感應(yīng)的動力學(xué)模型。

2.建模過程：明電源，畫電路，用規(guī)律

第1步：確定電源

（1）判斷產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的那一部分導(dǎo)體（電源）；

（2）利用E=n（法拉第電磁感應(yīng)定律）或E=BLvsinθ求感應(yīng)電動勢的大?。?/p>

（3）利用右手定則或楞次定律判斷電流方向。

第2步：分析電路結(jié)構(gòu)

弄清各元件的串并聯(lián)關(guān)系，畫等效電路圖；

第3步：利用電路規(guī)律求解

結(jié)合閉合電路歐姆定律、串并聯(lián)電路知識和電功率、焦耳定律等列方程求解。

2.3 建構(gòu)“電磁感應(yīng)”中的圖像模型

1.模型表征：“電磁感應(yīng)”中的圖像模型研究對象通常有兩類情況，一類是建構(gòu)圖像，即由給定的電磁感應(yīng)過程選出或畫出正確的圖像（畫圖像的方法）；另一類是應(yīng)用圖像模型，即由給定的有關(guān)圖像分析電磁感應(yīng)過程，求解相應(yīng)的物理量（用圖像）?！半姶鸥袘?yīng)”中的圖像模型通常也有兩類情況：

（1）隨時間變化的圖像，如B-t圖、Φ-t圖、E-t圖、I-t圖；

（2）隨位移變化的圖像，如E-x圖、I-x圖（所以要先看坐標(biāo)軸：哪個物理量隨哪個物理量變化要弄清）。

2.建模過程：解決“電磁感應(yīng)”中的圖像模型的關(guān)鍵是，首先，明確圖像坐標(biāo)表示的物理量，確定各物理量的大小和方向是如何變化的；然后，分析判斷導(dǎo)體回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢（電流）大小是否恒定，方向是否發(fā)生變化，即取決于穿過回路中的磁通量的變化是否均勻，如果磁通量的變化率是恒定的，則產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小和方向就恒定；最后，運(yùn)用右手定則或楞次定律判斷導(dǎo)體回路產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向。具體建模過程為：

（1）明確圖像的種類，即是B-t圖還是Φ-t圖，或者是E-t圖還是I-t圖等；

（2）分析電磁感應(yīng)的具體過程；

（3）用右手定則或楞次定律確定各物理量的方向及對應(yīng)關(guān)系；

（4）結(jié)合法拉第電磁感應(yīng)定律、閉合電路歐姆定律、牛頓運(yùn)動定律等知識寫出函數(shù)關(guān)系式；

（5）根據(jù)函數(shù)關(guān)系式，進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，如分析圖像的斜率及截距等表示的物理意義；

（6）建構(gòu)電磁感應(yīng)圖像或判斷應(yīng)用其圖像。

3 理論內(nèi)涵

弄清初始條件及正負(fù)方向的對應(yīng)變化范圍、所研究物理量的函數(shù)表達(dá)式、進(jìn)出磁場的轉(zhuǎn)折點(diǎn)等是解決此類問題的關(guān)鍵。

（1）運(yùn)用三定則一定律（左手定則、安培定則、右手定則、楞次定律）和六公式：

（2）處理圖像問題要做到“四明確、一理解”（如圖5所示）

總之，物理模型是物理形象思維與抽象思維相統(tǒng)一的結(jié)果，加強(qiáng)物理模型的構(gòu)建、識別和應(yīng)用是提升高中生物理思維能力的重要途徑。當(dāng)學(xué)生頭腦中存儲的物理模型量多且清晰、深刻時，則遇到相應(yīng)問題就能迅速將問題進(jìn)行“肢解”，識別出問題中所包含的相應(yīng)物理模型。因此，高中物理教學(xué)應(yīng)注重有意識地加強(qiáng)物理模型的培養(yǎng)和訓(xùn)練，從而不斷提升學(xué)生的物理思維能力。

參考文獻(xiàn)：

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