淺談如何引導(dǎo)高一學(xué)生理解物理模型并初步解決實(shí)際問題

姜誠(chéng)

摘 要：通過對(duì)實(shí)際問題的建模，教會(huì)學(xué)生能把實(shí)際的物體抽象出來，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析，這樣能夠讓學(xué)生更好地理解生活現(xiàn)象的原理，形成正確的科學(xué)思維。

關(guān)鍵詞：理想化; 建模; 化繁為簡(jiǎn)

中圖分類號(hào)：G633.7? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-3315（2021）2-015-002

物理在初中的時(shí)候就已經(jīng)有所涉及，聽得到的聲音，看得見的光，到感覺得到的溫度，大部分學(xué)生覺得物理比較直觀，似乎很好學(xué)。但進(jìn)入高一后，不少學(xué)生卻感覺物理難度很大，尤其對(duì)物理模型感覺很抽象而難于理解。

為什么較多學(xué)生進(jìn)入高一感覺物理難學(xué)？因?yàn)楦咧形锢砀⒅赜趯?duì)實(shí)際生活中發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行分析，注重對(duì)實(shí)際問題的物理建模以及把復(fù)雜的實(shí)際問題抽出主要因素進(jìn)行分析[1]。

那如何讓學(xué)生正確理解物理模型并能應(yīng)用物理模型初步解決實(shí)際問題呢？在此，筆者就教學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)和感悟總結(jié)出一些方法，具體如下。

1.建立理想化模型

1.1主次分明，看成質(zhì)點(diǎn)

《必修一》第一章第一節(jié)講質(zhì)點(diǎn)。質(zhì)點(diǎn)的概念是：在某些情況下，我們可以忽略物體的形狀和大小，把它簡(jiǎn)化為一個(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)。我們都知道質(zhì)點(diǎn)是理想化模型，現(xiàn)實(shí)中是不存在的，能否看成質(zhì)點(diǎn)要看實(shí)際情況。比如，同樣是一個(gè)人，如果我們要研究他做體操的動(dòng)作，就不能看成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，當(dāng)研究他跑馬拉松的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，就能看成質(zhì)點(diǎn)。其實(shí)如果不學(xué)高中物理，學(xué)生是不會(huì)知道質(zhì)點(diǎn)這個(gè)概念的，但是事實(shí)上，當(dāng)他看到一個(gè)人長(zhǎng)跑時(shí)，他會(huì)關(guān)注運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作嗎？顯然是不會(huì)的，他更加關(guān)心的是運(yùn)動(dòng)員跑的速度或者是時(shí)間，這個(gè)時(shí)候其實(shí)他已經(jīng)把運(yùn)動(dòng)員看成了一個(gè)質(zhì)點(diǎn)。再者，類似于打乒乓球，這樣很小的東西，平常學(xué)生來回打球的時(shí)候他一定會(huì)把乒乓球看成一個(gè)點(diǎn)，但是對(duì)方突然發(fā)了一個(gè)弧圈球過來，他沒接住，這個(gè)時(shí)候他就會(huì)研究對(duì)方一定是對(duì)打球的角度和力度進(jìn)行了調(diào)整，這個(gè)時(shí)候他一定不會(huì)只把它看成一個(gè)點(diǎn)，這就是不能看成質(zhì)點(diǎn)的情況。所以，實(shí)際上質(zhì)點(diǎn)這個(gè)模型學(xué)生在生活中其實(shí)無意中已經(jīng)體會(huì)。故如果我們能積極引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察生活中物體的運(yùn)動(dòng)，有效忽略次要因素，提煉需要研究的主要問題，理想化物理模型的建立其實(shí)是自然而然的。

1.2忽略局部，著眼整體

如自由落體運(yùn)動(dòng)，我們知道自由落體運(yùn)動(dòng)是指，物體只在重力作用下從靜止開始下落的運(yùn)動(dòng)。通過這個(gè)概念我們能得到自由落體運(yùn)動(dòng)的條件是只受重力和初速度為零。后者很容易做到，前者嚴(yán)格意義上講，是不存在的，即使我們有抽真空的機(jī)器，但仍然無法做到完全真空，所以嚴(yán)格意義上的自由落體是不存在的。但學(xué)生已經(jīng)具備一定的生活常識(shí)，他們知道一個(gè)鐵球從高空落下，實(shí)際阻力較小的話，鐵球運(yùn)動(dòng)是越來越快的。學(xué)過高中物理的也會(huì)把鐵球的運(yùn)動(dòng)看成自由落體，這就是理想化的模型，人們會(huì)不自覺地把問題看得簡(jiǎn)單，以便自己可以理解。所以，多做實(shí)驗(yàn)，通過引導(dǎo)學(xué)生觀察生活中的物理過程，進(jìn)而能忽略局部，著眼整體，把次要因素忽略，這樣就能抓住本質(zhì)，建立模型，從而讓物理過程有效簡(jiǎn)化。

2.實(shí)際問題的模型建構(gòu)及應(yīng)用

2.1解決實(shí)際，逆風(fēng)行舟

高中的彈力，摩擦力以及力的分解與合成與生活中的一些現(xiàn)象很有關(guān)系，比如說逆風(fēng)行舟這個(gè)現(xiàn)象，就是彈力和力的合成與分解的應(yīng)用[2]。但教師在課堂實(shí)驗(yàn)演示時(shí)，學(xué)生都感覺非常驚奇，逆風(fēng)怎么會(huì)產(chǎn)生前進(jìn)的動(dòng)力？為了讓學(xué)生能清晰建立模型，我首先引導(dǎo)學(xué)生對(duì)小船和風(fēng)帆進(jìn)行簡(jiǎn)化，把風(fēng)帆簡(jiǎn)化為一個(gè)斜面，把風(fēng)力等效為木桿打擊，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)木桿對(duì)斜面的壓力也是逆方向的，但木塊也能前進(jìn)。因?yàn)橛媚Ｐ秃?jiǎn)化了，學(xué)生不再感到畏懼，并能自然而然進(jìn)行受力分析并分解，如圖2所示。學(xué)生清楚地看到，風(fēng)力是從船的右前方吹過來的（幾乎可以認(rèn)為是逆風(fēng)），風(fēng)力對(duì)帆產(chǎn)生的力是對(duì)帆的壓力，可以進(jìn)行分解，分解成一個(gè)沿船運(yùn)動(dòng)方向上的力和垂直于船的力，其中沿船方向上的力就能成為動(dòng)力，垂直于船方向上的力由于水對(duì)船的阻力可以抵消，這樣就實(shí)現(xiàn)了逆風(fēng)行舟。

2.2簡(jiǎn)圖構(gòu)思，物理建模

必修一第四章中的超重和失重，這在初中學(xué)生完全沒有學(xué)，但學(xué)生在生活中早有體驗(yàn)。例如學(xué)生在電梯中當(dāng)電梯向上啟動(dòng)和下降制動(dòng)的瞬間，他會(huì)感覺雙腳有點(diǎn)沉重，而向下啟動(dòng)和上升制動(dòng)的瞬間，又感覺到雙腳有點(diǎn)輕浮。所以，本節(jié)課新課教學(xué)前，讓學(xué)生重新有意去體驗(yàn)這樣的感覺，甚至拿個(gè)體重計(jì)去電梯中體驗(yàn)，有了深刻體驗(yàn)了，我們就可以引導(dǎo)學(xué)生去建立物理模型。例如，把測(cè)力計(jì)和鉤碼、或者電子秤和重物下發(fā)給學(xué)生，讓他們課后再去電梯中做實(shí)驗(yàn)，那學(xué)生會(huì)自然而然地把電梯中的人簡(jiǎn)化為重物，并會(huì)受力分析來探究電梯中的超重和失重現(xiàn)象，如圖3所示。

2.3抽絲剝繭，化繁為簡(jiǎn)

汽車的ABS防抱死的工作原理，是必修一教材上的一個(gè)研究課題。這個(gè)實(shí)際問題其實(shí)是比較復(fù)雜的，那如何指導(dǎo)學(xué)生簡(jiǎn)化研究呢？首先要讓學(xué)生了解ABS系統(tǒng)的作用，我們可以模擬一個(gè)場(chǎng)景讓學(xué)生想象：當(dāng)甲開著一輛沒有ABS防抱死系統(tǒng)的汽車正常行駛在路上時(shí)，突然發(fā)現(xiàn)前方有一塊石頭，他立即猛踩剎車試圖停下并打轉(zhuǎn)向盤試圖繞過這個(gè)石頭，由于車速較快且沒有防抱死系統(tǒng)，甲發(fā)現(xiàn)他沒有轉(zhuǎn)彎，徑直的撞向了石頭;而乙則是開了一輛有ABS防抱死系統(tǒng)的車，他發(fā)現(xiàn)，雖然不能完全剎住汽車，但是能轉(zhuǎn)彎，所以他繞過了石頭。也可以在網(wǎng)絡(luò)上收集一些汽車測(cè)試ABS功能的視頻讓學(xué)生觀察。這樣學(xué)生就清晰認(rèn)識(shí)了ABS系統(tǒng)的作用和對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制，并很自然地發(fā)現(xiàn)首先要從車輪去探究分析，這樣就把復(fù)雜的汽車運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)化為如圖4所示的模型，從而能順利進(jìn)行接下來的動(dòng)力學(xué)探究。

綜上所述，高一學(xué)生學(xué)好物理的關(guān)鍵，就在于對(duì)生活中物理過程和物理現(xiàn)象的深刻體驗(yàn)和主動(dòng)觀察思考，進(jìn)而建立物理模型來簡(jiǎn)化研究。我們所要教給學(xué)生的是如何利用物理原理來解決實(shí)際生活中的問題，教給他們通過物理的眼光看精彩紛呈的世界，形成正確的科學(xué)思維。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊貴，李燕瓊.課程教學(xué)觀視角下高中物理科學(xué)思維目標(biāo)體系的建構(gòu)及其有效性探究[J]物理通報(bào)，2020（10）：115-118+129

[2]蔡建秋.帆船逆風(fēng)行舟的分析[J]湖南中學(xué)物理，2020，35（06）：80-81+83