高中物理教學(xué)中常見力學(xué)模型與解題技巧

黃 靜

(福建省莆田華僑中學(xué),福建 莆田 351115)

力學(xué)模型指的是根據(jù)所研究對象的幾何特性等,抽象而出的力學(xué)關(guān)系的一種表達形式.因為實際中的力學(xué)問題通常比較復(fù)雜,這就要針對同一研究對象進行多次實驗、反復(fù)觀察和認(rèn)真分析,把握問題本質(zhì),做出正確假設(shè),將問題簡化或理想化,最終通過簡單模型解決問題.在高中物理教學(xué)過程中,力學(xué)是相當(dāng)重要的一部分內(nèi)容,也是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點與重點,由于力學(xué)問題較為抽象,教師可以指引學(xué)生通過構(gòu)建力學(xué)模型的方式分析題目內(nèi)容,使其找到解題的切入點,把抽象問變得具體化,形成簡潔、正確的解題思路,讓他們高效解題[1].

1 常見物理力學(xué)模型的構(gòu)建

1.1 物理模型構(gòu)建概念

在高中物理教學(xué)過程中,構(gòu)建模型往往要結(jié)合例題引領(lǐng)學(xué)生尋找解題思路,其中力學(xué)方面涉及的模型相當(dāng)多,主要涉及能量守恒定律、三大牛頓定律等多個力學(xué)知識要點.一些同學(xué)雖然可以熟練、準(zhǔn)確運用力學(xué)公式解答物理試題,但是缺乏良好的解題思路,以至于產(chǎn)生不知道采用何種方式解決試題的窘?jīng)r.教師運用物理模型的主要目的就是優(yōu)化他們的解題思路,使其處理物理問題時做到游刃有余,為題目的順暢解答提供支持[2].

1.2 力與運動模型建立

力與運動屬于比較基礎(chǔ)的物理力學(xué)類試題,像小車在斜坡上進行滑動時分析受力情況,這類題目就有著與之對應(yīng)的物理模型.如牛頓第二運動定律,主要用來分析物體受到力的作用以后運動狀態(tài)發(fā)生變化.當(dāng)遇到此類試題時,學(xué)生可使用牛頓第二運動定律直接解題,確定解題思路和方案,明確物體在運動中所受到的力的作用,當(dāng)力產(chǎn)生時物體運動有所變化,在運動過程中物體還會受到什么力的影響,使其從多個方面展開分析,促進對牛頓第二定律的掌握,并熟悉此類試題的解題方法.如果物體為靜止的,即可判定出物體受到的合力是零,不會出現(xiàn)加速度,假如打破物體的平衡狀態(tài),即可確定加速度的大小,運用相關(guān)公式直接求出物體所受到力的大小,最終準(zhǔn)確分析和判斷試題[3].

1.3 基本力學(xué)模型構(gòu)建

物理學(xué)中常見的力有重力、彈力與摩擦力等,大部分試題都圍繞這三種力設(shè)計.在重力方面,學(xué)生應(yīng)知道地球上所有物體均受到重力的作用,方向為豎直向下的.解題時首步即為明確物體受到的重力情況,發(fā)現(xiàn)重力做功同路徑不存在聯(lián)系,重力做功物體的重力勢能會發(fā)生變化;產(chǎn)生彈力的條件相對復(fù)雜,物體之間不僅需接觸,當(dāng)物體出現(xiàn)彈性形變時,能夠構(gòu)建出彈力模型.教師需提示學(xué)生先分析產(chǎn)生彈力的條件,再確定物體接觸之后的彈力點,研究具體受力關(guān)系,所以要詳加講解“彈力的接觸面積”這一知識要點;針對摩擦力來說,在平時教學(xué)中,教師需以摩擦力產(chǎn)生的原因為基本發(fā)起點,指引學(xué)生建立模型,著重講述摩擦力的產(chǎn)生需有接觸面,使其透徹理解摩擦力為什么會產(chǎn)生[4].

1.4 物理模型建立方式

建立力學(xué)模型有助于學(xué)生快速找到正確的解題思路.當(dāng)他們構(gòu)建力學(xué)模型時,教師應(yīng)當(dāng)先給予一定的點撥,使其初步理清解題思路,培養(yǎng)學(xué)生從正向思維視角出發(fā)進行解題的常用方法,并指導(dǎo)他們研究使用逆向思維進行解題的思路,使其解題能力得到更好的鍛煉,能夠解答一些力學(xué)難題,逐步提高物理成績,增強個人應(yīng)試能力.

2 運用力學(xué)模型的解題策略

2.1 分析動能重力勢能

例1已知一個質(zhì)量為10 kg的小球在高度為80 m處進行自由下落,如果空氣阻力不計,求以下時間點該小球的動能和重力勢能,以及兩者的之和,(1)開始下落時;(2)下落2s末時;(3)到達地面時.

分析(1)處理這一題目時,學(xué)生可以采用力學(xué)模型的構(gòu)建思路,根據(jù)牛頓第二定律可知,當(dāng)小球剛開始下落時,速度為0,可理解為小球的動能剛開始下落時為0,勢能則是Ep=mgh=8 000 J,那么動能和重力勢能之和為0+8 000=8 000 J;

(3)當(dāng)小球到達地面時,動能是Ek=8 000 J,重力勢能是Ep=0,則動能和重力勢能之和為8 000 J+0=8 000 J.

通過對這道題的解析與處理,學(xué)生能夠進一步認(rèn)識能量守恒定律,還可以形成靈活運用牛頓第二定律的解題思路[5].

如此,學(xué)生通過對上述試題的解答能夠發(fā)現(xiàn),熟練使用牛頓第二定律和能量守恒定理可以快速完成對重力方面物體受力情況的分析,建立出相應(yīng)的力學(xué)模型,促使其運用力學(xué)模型解決此類試題,且遷移至同類題目之中,有效提升他們的解題效率.

2.2 分析彈力物理試題

例2已知將四根一樣的彈簧放置到水平位置,右端均受到拉力F的作用,左端各不相同:(1)在一個墻壁上面固定;(2)同樣受到大小是F的拉力作用;(3)系上一個小球,小球在光滑水平桌面上進行滑動;(4)系上一個小球,小球在粗糙水平桌面上進行滑動.如果彈簧質(zhì)量忽視不計,伸長量分別用L1、L2、L3、L4,則( ).

A.L2>L1B.L4>L3C.L1>L3D.L2=L4

2.3 摩擦力的解題模型

例3如圖1所示,在一個水平地面上,放置一個長度足夠長的斜面且使之固定,已知傾斜角大小為θ,動摩擦因數(shù)為μ,現(xiàn)在將一個質(zhì)量為m的木塊以初速度v沿著斜面向下放置到頂端,請問該木塊會做何運動?

圖1 小木塊位于水平地面的固定斜面上

分析處理本道試題時,關(guān)鍵在于對這個小木塊的受力情況進行分析,這里要用到分類討論思想,因為題目中沒有明確給出傾斜角θ的大小,應(yīng)結(jié)合動摩擦因數(shù)和傾斜角θ角的正切值關(guān)系進行分類討論和解題,即為解答此類力學(xué)試題的模型.

詳解對小木塊的受力情況進行分類討論和分析,(1)如果mgsinθ=μmgcosθ,即為μ=tanθ,這時小木塊將會沿著斜面做勻速直線運動;(2)如果mgsinθ>μmgcosθ,即為μtanθ,這時小木塊將會沿著斜面做勻減速直線運動,且加速度大小是a2=μgcosθ-gsinθ,方向是沿著斜面向上.

例4如圖2所示,在一個水平地面上放置一個長度足夠的斜面,已知傾斜角為θ,動摩擦因數(shù)大小為μ,現(xiàn)在將一個質(zhì)量為m的木塊以初速度v沿著斜面向下放置到頂端,此時小木塊在整個運動過程中,斜面一直處于靜止?fàn)顟B(tài),請問地面與斜面之間的摩擦力為多大?方向是什么?

圖2 小木塊位于平地面上的斜面上

詳解對小木塊的受力情況進行分類討論和分析,(1)假如mgsinθ=μmgcosθ,即為μ=tanθ,這時木塊就沿著斜面進行勻速直線運動,其中加速度為0,地面與斜面之間沒有摩擦力;(2)假如mgsinθ>μmgcosθ,即為μtanθ,地面與斜面之間的摩擦力為f2=m(μgcosθ-gsinθ)cosθ,方向水平向右[7].

總的來說,在高中物理教學(xué)活動中,教師需高度重視力學(xué)模型的構(gòu)建以及在解題中的實踐應(yīng)用.正式建立力學(xué)模型之前,對涉及的力學(xué)知識進行分類和歸納,從中建立一些常見和常用的力學(xué)模型,據(jù)此專門安排解題訓(xùn)練,讓學(xué)生結(jié)合力學(xué)模型對題目內(nèi)容進行深入分析,使其找到簡便的解題方法,切實體會到力學(xué)模型的實用性,提高他們的力學(xué)學(xué)習(xí)質(zhì)量.