巧妙構(gòu)建物理模型使物理過程關(guān)鍵特征可視化

安徽省合肥市廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級中學(231551) 鮑康宏

由于初中物理綜合題對學生的思維能力具有一定的挑戰(zhàn)性，特別是一些抽象的物理過程很難通過理論推理、抽象分析這一層面解決，如何巧妙構(gòu)建物理模型，將綜合問題實驗化，在實驗過程中凸顯其關(guān)鍵特征，使核心因素可視化，提升學生的科學思維能力，加深對物理概念和規(guī)律的理解與應(yīng)用，形成可能的解決問題的路徑。筆者結(jié)合自己的教學實踐，列舉力與運動關(guān)系的典型問題和家庭電路應(yīng)用題各2例進行分析。

1 構(gòu)建可視化力學模型，凸顯力與運動過程中的關(guān)鍵特征

初中物理教學中的牛頓第一定律是教學的重點知識，也是難點知識，由此得出力是改變物體運動狀態(tài)原因的科學論斷，這是我們在復(fù)習力與運動的關(guān)系知識點的總基調(diào)。同一條直線上物體受到的合力與物體的方向運動之間的關(guān)系如圖1所示。

1.1 以蹦極運動為藍本構(gòu)建模型，在可視化實驗中凸顯關(guān)鍵特征

蹦極，是近來新起的一項很刺激的戶外休閑運動。跳躍者站在很高的臺上，把一根很長的彈性長繩一端固定在高臺上，另一端綁在跳躍者的腳踝部，足以使跳躍者在空中享受幾秒鐘的“自由落體”。當人體落到離地面一定距離時，橡皮繩被拉開、繃緊、阻止人體繼續(xù)下落；當人到達最低點時，彈性長繩再次收縮，人被拉起，隨后又下落，這樣反復(fù)運動，直到人最終靜止在某一高度。出題者在考查學生分析整個過程中(若不考慮運動中空氣阻力)跳躍的動能、重力勢能、彈性繩的彈性勢能和機械能的轉(zhuǎn)化情況。關(guān)于這類物理應(yīng)用題，初中生在理解上有相當大的難度，因為牽涉的能量類型較多，經(jīng)常會出現(xiàn)顧此失彼的現(xiàn)象?？此剖悄芰靠疾轭}，其實可以運用力和運動關(guān)系規(guī)律找到問題突破口。

由于蹦極運動的特殊性，不可能讓學生親身體驗，要想將其整個過程在實驗室“再現(xiàn)”卻是有可能的。筆者建構(gòu)簡化的“蹦極”模型，在簡化后的示意圖中盡可能忽略次要因素，凸顯其運動中如圖2所示，將蹦極運動過程分為幾個關(guān)鍵點：O點是起跳點，A點為彈性長繩自然伸直時跳躍者位置，B點為彈性繩伸長后繩上拉力與跳躍者重力大小相等位置，C點為跳躍者到達的最低位置。依據(jù)這個物理過程，筆者帶領(lǐng)學生在實驗室“重現(xiàn)”整個過程。

受力的重要特征，使實驗過程關(guān)鍵特征可視化。

1.1.1 器材和制作過程

(1)量程為0～2 N的同種規(guī)格型號的演示測力計2只、鐵架臺2副、重0.5 N同型號鉤碼4塊、PVC塑料板1塊、A4復(fù)印紙若干。

(2)組裝好2副鐵架臺并排放在桌面上，在其豎桿前豎立起PVC塑料板做背景墻(如圖3所示)，將1只演示測力計豎直掛在一只鐵架臺橫桿上，拆下另1只演示測力計內(nèi)帶掛鉤的彈簧(以下稱輕彈簧)，將其上端懸掛在另1鐵架臺橫桿上，調(diào)節(jié)橫桿高度，使兩彈簧的指針在同一水平線上(輕彈簧用紅鋁片做成細長指針，醒目)。用輕彈簧模擬“蹦極”過程，完好的演示測力計起到對照作用。

1.1.2 模型組建和演示過程

(1)塑料板上標注好刻度線；①在圖3中,將不掛鉤碼時的測力計和輕彈簧指針所對應(yīng)的水平線標記在塑料板上，稱為“最高點”；②分別將2個鉤碼加掛在測力計和輕彈簧掛鉤下靜止后，鉤碼在豎直方向受到一對平衡力作用，此時2指針所在的水平線標記在塑料板上，稱為“平衡點”；③兩手分別豎直向下的力拉動測力計和輕彈簧，當測力計示數(shù)為2.0 N時，2指針所在的水平線標記在塑料板上，稱為“最低點”。將測力計刻度板上的刻度線復(fù)印在紙條上，豎直貼在靠右的塑料板上。其與蹦極模型對照見表1。

表1 蹦極模型和彈簧模型的對應(yīng)關(guān)系

(2)演示時，用手輕托起輕彈簧下的鉤碼，讓其在最高點與最低點兩水平線之間來回振動。根據(jù)彈簧測力計工作原理可知，在一定范圍內(nèi)，彈簧的伸長量與所受的拉力成正比。①指針在“平衡點”時，鉤碼在豎直方向上受重力G和彈簧拉力F，是一對平衡力F=G；②當指針在平衡點上方時，彈簧伸長量小于在平衡點處的伸長量，彈簧拉力F1G,此時鉤碼向上運動為加速，向下運動為減速。

(3)在物體質(zhì)量一定時，根據(jù)鉤碼的運動速度的變化，很容易判斷出鉤碼的動能變化；同一彈性物體，彈性勢能大小與其形變的大小有關(guān)。鉤碼在一個振動周期內(nèi)的各個物理量的變化也就非常清楚，見表2。

表2 彈簧加掛的鉤碼在一個周期內(nèi)振動的各個物理量的變化情況

通過構(gòu)建彈簧模型，將蹦極模型與彈簧測力計受力進行對照，鉤碼在一個振動周期內(nèi)所受合力與運動方向的關(guān)系，使整個實驗過程可視化。使用這一思路同樣可以輕松解決在水平面上簡諧振動的彈簧推動物體的受力、速度和機械能變化情況，如圖4所示。因此，通過建立模型，讓學生的思維尋找到突破點，而且降低了思維的難度，充實了思維的內(nèi)涵。

1.2 構(gòu)建可視化模型，凸顯上浮物體的關(guān)鍵特征

1.2.1 問題的提出

在浮沉章節(jié)復(fù)習課中，通過對浮力和重力的分析比較判斷物體的浮與沉。在實驗操作中，學生喜歡探究那些在液體中肯定下沉的物體(如石塊、鐵塊等)的浮沉情況，對一些“輕質(zhì)”物體的浮力大小以及浮沉情況只有在計算題中才出現(xiàn)?？招奈矬w的浮力能簡單得測出來嗎？

1.2.2 巧妙構(gòu)建模型，使上浮過程受力情況可視化

筆者根據(jù)定滑輪可以改變施力的方向的特點進行創(chuàng)新實驗，建立模型，專門測量這些“輕質(zhì)”物體的浮力大小。

如圖5所示，將定滑輪的外框用支架固定在容器靠下側(cè)內(nèi)壁，用細線系好物重為G的空心物體，繞過定滑輪，向容器注水，細線另一端用彈簧測力計沿豎直方向向上緩慢拉動，發(fā)現(xiàn)測力計示數(shù)(記為F拉)開始增大，物塊浸沒后示數(shù)不變，空心物體一直受到豎直向上浮力為F浮，豎直向下重力為G、細線對物體拉力為T,根據(jù)定滑輪不省力，只改變施力方向的特點，有F拉=T，因此，空心物體在三力作用下處于平衡狀態(tài)，得出：F浮=G+T=G+F拉。因此，實驗探究中只要讀取繞在滑輪的測力計對浸在液體中的空心物體的拉力和物體的重力，就能計算出其受到的浮力大小。

由逆向思維可知：假設(shè)物塊在液體深處時，突然撤走測力計的拉力(如用剪刀剪斷測力計下的細線)，則T=0。此時，浸沒在水下的物塊受到豎直向上浮力F浮和重力G，由于F浮>G，物塊受到的合力豎直向上，物塊加速上升；當物塊露出液面時，物塊排開液體的體積減小，浮力也隨之減小，直至浮力等于重力時，物塊運動速度最大，繼續(xù)上浮至最高點，然后來回振動幾次后靜止，處于漂浮狀態(tài)。通過模型組件，能將空心物體在液體任何深度受到的浮力量化，建立浮力隨浸入液體深度的函數(shù)圖像，如圖6所示，使實驗過程可視化。

2 構(gòu)建可視化家庭電路模型，凸顯實驗過程的關(guān)鍵特征

2.1 建構(gòu)模型，凸顯動態(tài)電路的可視化

電學測試題：傍晚用電高峰時，家里的電燈較暗，而在深夜時開燈卻比較亮，請你解釋其中的道理。教師在對待這樣的應(yīng)用題，首選是運用串并聯(lián)電路規(guī)律和歐姆定律進行理論分析，關(guān)鍵因素很難形象化，學生難以理解。筆者從學生的認知規(guī)律出發(fā)，運用數(shù)字電流表和數(shù)字電壓表組裝家庭電路模型進行探究。

表3 模型圖中的開關(guān)依次閉合時的電流表和電壓表的示數(shù)和等效阻值

(3)在6只燈泡同時接通時，其等效電路如圖7中虛線框所示，記為R總，此時，整個電路可以看成輸電線R線和家庭總負載R總串聯(lián)。由U=IR得，輸電線上分得電壓增加，家庭負載分得電壓減少。所以燈泡實際電壓低于額定電壓，也就是傍晚用戶電器使用數(shù)目多，家里的電燈較暗；反之，深夜時家庭電器使用數(shù)目減少，家庭總負載R總增大，燈泡的實際電壓增大，亮度增大。

2.2 添加故障因子，自制模型探究零火線通斷的檢查

圖8中的家庭電路故障題，是初中學生常遇到的。教師雖然進行理論分析，學生仍是云遮霧繞的。筆者首先組裝電路模型，再將模型電路接入家庭電路中，特意在火線和零線電路中分別接入開關(guān)S1、S2(分別在各自電線的任意一位置)，分別討論火線、零線上該位置的通與斷和燈絲通斷的各種情況下,測電筆氖管是否發(fā)光。

表4 火、零線通斷和燈絲通斷各種情況下測電筆氖管的發(fā)光情況

通過以上各種情況下的探究發(fā)現(xiàn)：①燈絲完好的情況下，只要火線某處斷開，從斷點到燈泡直至零線對地電壓為0，測電筆氖管都不發(fā)光(與零線、燈絲是否斷開無關(guān))；②燈絲完好的情況下，若只有零線斷開，則從斷點到燈泡直至火線，測電筆氖管都發(fā)光，其余部分氖管不發(fā)光；③電線完好的情況下，若只有燈絲斷開，則從燈泡螺旋套到零線電路所有部分測電筆氖管均不發(fā)光，其余部分氖管發(fā)光。由逆向思維可以根據(jù)氖管發(fā)光判斷電路通斷，家庭電路故障判斷也一目了然。

3 結(jié)束語

模型是智慧的結(jié)晶，模型也是打開未知世界的鑰匙。針對初中學生以形象思維為主，并且正在向抽象思維過渡的認知特征，建構(gòu)科學模型是處理物理問題的基本方法，教師一定要善于在模型建構(gòu)的過程中對具體物理問題進行分步拆解分析。使復(fù)雜問題簡單化、生活化；抽象問題可視化、具體化。調(diào)動學生的各種感官，在可視化模型建構(gòu)過程的創(chuàng)新探究實驗中凸顯知識的關(guān)鍵特征，突出實質(zhì)性的核心內(nèi)容，既可以降低思維的臺階，也能消除學生對物理學習的畏難情緒，培養(yǎng)學生融會貫通的能力，激發(fā)學生解決問題的強烈愿望。