高中物理模型教學的探究

楊日新

(浙江省天臺平橋二中 317203)

物理是一門研究物質世界最基本結構和一般運動規(guī)律的自然科學，物理模型的構建是進行物理學習和探究的重要內容.物理學的發(fā)展過程就是一個物理模型建立的過程，物理模型對于物理的發(fā)展有著巨大的作用.物理模型教學主要是指對物理模型的內容、建立方法、應用的教學，不僅能反應客觀的物理現(xiàn)象，也能闡明物理現(xiàn)象的規(guī)律，是開展物理教學活動的重要組成部分.

一、物理模型概述

1.物理模型的定義和類型

“模型”是英文“Model”，主要是“樣式、尺度、樣本”的意思.我國著名科學家錢學森認為，所謂的模型就是“通過對問題現(xiàn)象的分解、分析，利用已知原理，吸取主要因素，省略次要因素，而創(chuàng)造出的一幅圖畫.”高中物理模型主要是指根據(jù)物理學的特點，對物理的某一過程或某個現(xiàn)象進行抽象化，用來對物理系統(tǒng)的結構或某方面的規(guī)律進行描述.這就是說，物理模型是對實際物理現(xiàn)象的一種升華，使之抽象化、概念化.

高中階段的物理模型類型一般以實體理想模型、系統(tǒng)理想模型和過程理想模型為主.實體理想模型一般是以客觀的實際物體為基礎，根據(jù)學生所研究的性質將實體理想化成模型，物理學習和探究中常見的理想氣體、質點、杠桿、點電荷、理想變壓器都屬于實體理想模型.物理學所研究的一般是互相作用的物體，這就組成了一個系統(tǒng).系統(tǒng)理想模型一般會忽略其他次要因素對系統(tǒng)的影響，只對系統(tǒng)內部的物體規(guī)律進行探究，諸如：力學系統(tǒng)、絕熱系統(tǒng)、保守力系統(tǒng)等都屬于系統(tǒng)理想模型.過程理想模型是高中物理的重點，由于自然界的事物互相運動、變化和作用，其原理和過程復雜，因此在高中物理研究的過程中，會抓住這些過程的主要因素，分析其主要規(guī)律，忽略次要因素，這樣就構建起了過程理想模型，諸如：勻速直線運動、勻速圓周運動、勻變速直線運動、自由落體運動、平拋運動、簡諧運動、彈性碰撞、完全非彈性碰撞等.

2.構建物理模型的意義

第一，簡化物理所研究的問題.通過構建物理模型，可以對物理現(xiàn)象進行抽象處理，從而對物理學所要研究的復雜問題進行簡化，更好的對物理現(xiàn)象進行學習和探究.比如質點模型的構建，一般學生會將質點等同于很小的物體或是數(shù)學中的點，這是錯誤的.其實，只要物體的體積、形狀、大小等對物體有關規(guī)律的研究不構成主要因素，都可以將物體看著一個質點.質點忽略了物體的大小和形狀，主要突出物體的質量、位置等性質，如地球圍繞太陽的運動探究，地球可以被看著質點，再就是運動物體各個點的運動狀態(tài)一致，這樣運動物體也可以被看著一個質點，諸如：運動中的汽車、衛(wèi)星、導彈等，質點模型是實際物體的抽象過程.

第二，解決實際問題.通過物理模型的構建，可以幫助學生運用物理知識進行生活問題的解決，學生將生活中的實際問題抽象成物理模型，就可以直接運用模型的結果，從而提高學生的問題分析和解決效率.比如理想氣體模型的構建，可以將自然界中各種不同性質和不同特點氣體的一些共同規(guī)律體現(xiàn)出來，從而可以將玻意耳定律的經驗定律統(tǒng)一起來，推導出理想氣體的方程：pV=nRT，這樣更有利于學生進行具體問題的分析和解決.對于比較復雜的物理現(xiàn)象和問題，學生需要對它的物理模型進行研究，然后結合實際情況對模型結果進行修正，從而使得物理模型更加接近實際研究對象的本質.

第三，揭示物理本質.物理理想模型是進行物理學習和探究的有效方法，可以將復雜的物理現(xiàn)象簡單化，從物理的本質規(guī)律入手，從而揭示出物理的本質.比如“輕質”一詞常常出現(xiàn)在物理各種力學問題中，是物理典型的理想化模型.比如“輕質”彈簧中各個點的彈力相等，因此在進行物理實際問題的分析中，可以認為“輕質”彈簧兩端物體所受到的力大小相同.通過建立理想模型，可以忽略物體受力過程中的次要因素，從而簡化物理過程，揭示物理本質.

二、實驗探究，師生共建物理模型

高中物理是一門以實驗為基礎的自然科學，教師引導學生進行實驗探究，不僅能讓學生理解物理知識的分析和探究過程，同時也能夠幫助學生建立起物理模型，從而對同一類的物理問題進行更高效的分析和解決.下面我們一起來進行有關“平拋運動”的實驗，師生一同構建平拋運動的過程模型，讓學生掌握平拋運動模型的構建過程，總結平拋運動的規(guī)律，并在實際問題中進行應用.

首先，教師給學生播放一下戰(zhàn)爭片中，戰(zhàn)斗機投彈的視頻，讓學生能夠仔細的觀察到炸彈從飛機投下到擊中目標的整個過程，并然思考一下，戰(zhàn)斗機在投彈的時候，是位于目標的正前方、正上方還是后方，如果從側面進行炸彈運動軌跡的觀察，炸彈是做直線還是曲線運動？學生通過觀察和思考，很容易得出，戰(zhàn)斗機在目標正前方開始投彈，炸彈在命中目標前做曲線運動.

其次，教師給學生做演示實驗，教師在桌面上放一個乒乓球，讓乒乓球先沿桌面勻速運動，最后離開桌面下落，讓學生進行觀察，并引導學生乒乓球離開桌面到落地前的運動就是平拋運動，那么，大家想一想平拋運動的概念是什么呢？學生很容易得出，平拋運動就是“水平拋出的物體所做的運動.”教師繼續(xù)給學生進行實驗演示，這次教師拿一根羽毛沿水平方向拋出，然后讓學生觀察，羽毛拋出后的運動是平拋運動嗎？大多數(shù)學生認為羽毛水平拋出以后所做的不是平拋運動，因為羽毛受到的空氣阻力比較大，拋出后很快就直線下落了，而不是曲線.教師對學生進行引導，那么炸彈和乒乓球不受空氣阻力嗎？學生認為炸彈和乒乓球受到的阻力小，可以忽略.教師繼續(xù)引導：那么乒乓球在離開桌面下落的過程中受到幾個力的作用呢？學生認為，忽略空氣阻力，乒乓球只受到重力的作用.由此，可以得出平拋運動的定義為“物體以一定的初速度水平方向拋出，如果物體僅受重力作用，這樣的運動叫做平拋運動.”

圖1

再次，教師讓學生結合已經學過的運動合成與分解知識，對平拋運動進行推斷和猜測.學生通過對平拋運動軌跡的觀察，試著通過平行四邊形法則將平拋運動分解為水平和垂直兩個方向的運動.那么，學生分解的是否正確呢，教師引導學生運用實驗的方法進行探究.教師組織學生進行分組實驗，給學生發(fā)放實驗器材(如圖1所示)，讓學生以白色為背景，將手機設置為連拍，記錄下兩個小球同一時間的不同位置，然后通過電腦進行圖片的合成，學生通過多次實驗發(fā)現(xiàn)，用力越大，A球飛出的距離越遠，但是不論飛出多遠都和B球同時落地.通過對兩個小球拍攝的圖片進行合成，學生發(fā)現(xiàn)，相同時間內，A球水平運動距離相等，豎直方向上與B球始終處于同一高度.學生通過測量發(fā)現(xiàn)，垂直方向相同時間段內，相鄰兩點的位移之差是常數(shù)，而在豎直方向上小球的初速度為零，通過公式Δs=a(ΔT)2將求出的加速度a取平均值，基本等于重力加速度數(shù)值.由此可以得出，平拋運動是水平方向勻速運動和垂直方向自由落體運動的合成，至此，平拋運動的模型建立完成，學生通過親自的操作和實驗，對物理模型有了更深刻的認識.

最后，教師引導學生對平拋運動模型的規(guī)律進行探究，并將結果通過表格進行匯總，如下表：

速度位移分解方向水平豎直水平豎直分解大小vx=v0vy=gtsx=v0tsy=12gt2實際方向tgα=gtv0tgβ=gt2v0實際大小v=v20+(gt)2s=(v0t)2+(12gt2)2

這樣，學生對平拋運動的模型基本掌握，在進行相關問題的研究的時候，就可以直接運用模型進行分析和探究，有效的提高學生的學習效率，促進學生的全面發(fā)展.

圖2

例題 有三個同學在玩投飛鏢游戲，已知在飛鏢的拋出點O正前方有一泡沫擋板來接收飛鏢，擋板上的A點與O點在同一水平線上，已知三位同學分別以v1、v2、v3的初速度將飛鏢投出，分別打在擋板上的B、C、D點(如圖2所示)，經過測量得出AB∶BC∶CB=1∶3∶5，忽略飛鏢運動過程中空氣阻力的作用，則v1∶v2∶v3的值為( ).

A.3∶2∶1 B.5∶3∶1 C.6∶3∶2 D.9∶4∶1

解析 由題意可知飛鏢的運動為平拋運動，打在擋板上的點為豎直方向運動的位移，由于拋出點和擋板距離固定，因此水平運動位移相等，則可以得出v1t1=v2t2=v3t3，豎直方向位移AB∶BC∶CB=1∶3∶5

聯(lián)立解得：v1∶v2∶v3=6∶3∶2

總之，高中物理知識比較抽象，教師在教學過程中，要注重引導學生進行物理建模，從生活中的具體現(xiàn)象中進行物理規(guī)律的抽象，形成一個完整的物理知識發(fā)展過程，讓學生掌握物理的本質規(guī)律，既能幫助學生掌握物理知識內涵，也能提升學生的物理素養(yǎng)，促進教學質量的提升.