高中物理模型建構(gòu)及教學(xué)方法探索

張春盛

摘要：建構(gòu)模型有助于學(xué)生找到物理和生活之間的銜接點(diǎn)，而且還可以形象、直觀地呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，使其掌握學(xué)習(xí)物理的竅門，增強(qiáng)解決物理問題的能力.基于此，筆者結(jié)合自身多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)介紹常見的高中物理模型，同時(shí)分享一系列有效的教學(xué)方法，以供同行參考所用.

關(guān)鍵詞：高中物理；模型建構(gòu)；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G632文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1008-0333（2024）12-0083-03

基于高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)視角來看，模型建構(gòu)屬于科學(xué)思維的基本要素之一，也是高中學(xué)生物理學(xué)習(xí)中必備的能力之一，關(guān)系到他們科學(xué)思維能力的發(fā)展情況.高中物理教師需明確常見的物理模型，采用科學(xué)合理的教學(xué)方法指導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)物理模型，使其深層次研究物理現(xiàn)象和問題，訓(xùn)練其科學(xué)思維能力.

1 高中物理常見模型的建構(gòu)介紹

1.1 輕彈簧模型

高中物理教學(xué)中，彈簧是常見的物理儀器，對于彈簧相關(guān)的問題，通過構(gòu)建輕彈簧模型，從力的角度和能量角度分析解題.從力的角度來說，彈簧可以產(chǎn)生拉力作用，還可以產(chǎn)生壓力作用，根據(jù)胡克定律F＝kΔx，當(dāng)彈簧拉伸長度與壓縮長度相同時(shí)，其產(chǎn)生的作用力大小是相同的，方向則是相反的.彈簧發(fā)生形變，需要一定的時(shí)間，彈簧的彈力不能夠突然發(fā)生變化[1].從能量的角度來說，彈簧是一種能量儲(chǔ)存裝置，在物體壓縮彈簧或拉伸彈簧的過程中，彈簧儲(chǔ)存能量，在恢復(fù)原長的過程中，則是釋放能量.

1.2 輕桿、管道模型

本文所說的輕桿、管道模型是指在豎直平面內(nèi)，物體做圓周運(yùn)動(dòng).物體在輕桿或管道的最高點(diǎn)時(shí)，輕桿或管道可以對物體施加拉的作用，也可以對物體施加向外的支撐作用.根據(jù)物體做圓周運(yùn)動(dòng)需要的向心力F向＝mv2R，在最高點(diǎn)滿足mg＋F彈＝mv2R時(shí)，輕桿具有拉的作用，或管道則產(chǎn)生豎直向下的彈力作用.當(dāng)滿足mg-F彈＝mv2R時(shí)，輕桿則具有支撐作用，或管道則產(chǎn)生豎直向上的彈力作用.物體在最高點(diǎn)時(shí)，其速度可以為0，此種情況與細(xì)繩連接物體在豎直平面做圓周運(yùn)動(dòng)不同，如果是輕繩，在最高點(diǎn)輕繩只能提供拉的作用，無法提供支撐的作用，因此在最高點(diǎn)處物體做圓周運(yùn)動(dòng)的臨界條件是vmin＝gR，單環(huán)模型和輕繩有相同的結(jié)論[2].

1.3 傳送帶模型

在高中物理教學(xué)中，傳送帶模型的難度比較大，主要分為水平傳送帶和傾斜傳送帶兩種情形.為了讓學(xué)生能夠理解和構(gòu)建傳送帶模型，教師可以構(gòu)建相應(yīng)的模型，如圖1所示.

1.4 彈性碰撞模型

微觀粒子的碰撞，如果沒有引起碰撞粒子的能級(jí)躍遷，該碰撞就是彈性碰撞；宏觀物體之間的碰撞過程，如果不計(jì)碰撞過程中機(jī)械能的損失，也可以認(rèn)為是彈性碰撞.彈性碰撞模型主要采用機(jī)械能守恒與動(dòng)量守恒列方程組求解.設(shè)平面上有A、B兩個(gè)小球，質(zhì)量和速度分別為m1、v1、m2、v2，且（v1＞v2），碰后速度分別是v′1與v′2，假如沒有能量損失，則根據(jù)動(dòng)量守恒定律知m1v1＋m2v2＝m1v′1＋m2v′2，結(jié)合機(jī)械能守恒可得12m1v21＋12m2v22＝12m1v′12＋12m2v′22，由上述公式可得到v′1＝（m1-m2）v1+2m2v2m1+m2，v′2＝（m2-m1）v2+2m1v1m1+m2，很顯然兩個(gè)小球碰撞以后的速度情況與其質(zhì)量大小有關(guān).

2 高中物理模型建構(gòu)的教學(xué)方法

2.1 借助情境優(yōu)化導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生模型建構(gòu)意識(shí)

高中物理教師在平常教學(xué)中需高度重視新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，可采用情境導(dǎo)入法，即根據(jù)實(shí)際教學(xué)需求靈活使用實(shí)物、實(shí)驗(yàn)、多媒體技術(shù)等方式來創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)他們進(jìn)行模型建構(gòu)的意識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)物理模型[3].

比如在進(jìn)行“圓周運(yùn)動(dòng)”教學(xué)時(shí)，教師先利用多媒體播放一些現(xiàn)實(shí)世界中的圓周運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，如水流星、過山車、飛行表演等.據(jù)此營造情境，把學(xué)生的注意力吸引起來，使其認(rèn)真觀察、分析與討論這些現(xiàn)象，嘗試從中尋找以上運(yùn)動(dòng)的相似之處.之后，教師讓學(xué)生根據(jù)課堂內(nèi)容，對案例中物體運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)的受力情況進(jìn)行分析，畫出受力分析圖，找出最高點(diǎn)的臨界速度，引領(lǐng)他們總結(jié)出共同特征，即為：物體在圓周運(yùn)動(dòng)中過最高點(diǎn)的臨界狀態(tài)mg＝mv2r，則v＝gr，當(dāng)v≥gr時(shí)才可以進(jìn)行完整的圓周運(yùn)動(dòng)，使其發(fā)現(xiàn)以上這些實(shí)例均是同一類型，即為豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)輕繩模型.

2.2 緊密聯(lián)系實(shí)際生活，深入感知模型建構(gòu)

物理模型的建構(gòu)同樣需要得到生活素材的支持和輔助.高中物理教師應(yīng)緊密聯(lián)系實(shí)際生活，結(jié)合所授內(nèi)容有的放矢地引用生活中的物理現(xiàn)象，讓物理教學(xué)回歸現(xiàn)實(shí)生活，指引學(xué)生從生活現(xiàn)象中抽象出相應(yīng)的物理模型，讓他們切實(shí)感知模型建構(gòu)[4].

以“自由落體運(yùn)動(dòng)”教學(xué)為例，教師向?qū)W生展示生活中的現(xiàn)象，如雪花飄飛、屋檐滴水、果實(shí)落地、樹葉飄落等.引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真觀察，結(jié)合生活常識(shí)一起探討這些運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的共同點(diǎn)，他們發(fā)現(xiàn)都是物體從空中自由下落.接著，教師設(shè)計(jì)問題：是否質(zhì)量大的物體下落速度一定比質(zhì)量小的大？組織學(xué)生分組制定實(shí)驗(yàn)方案，以一元硬幣與A4白紙為研究對象，按照不同方式從同一高度自由下落，使其觀察和研究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，他們發(fā)現(xiàn)空氣阻力會(huì)影響到物體的下落速度.隨后教師可以拿出牛頓管，把空氣抽出，指引學(xué)生觀察，讓羽毛、紙片、硬幣等物體從同一高度下落，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同物體下落的快慢一樣，據(jù)此幫助學(xué)生構(gòu)建自由落體運(yùn)動(dòng)模型.

2.3 借助任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)，理解模型建構(gòu)過程由于模型建構(gòu)較為枯燥、乏味，教師可采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)，借助任務(wù)的驅(qū)動(dòng)作用，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)模型，理解模型構(gòu)建的過程.對此，高中物理教師需根據(jù)實(shí)際教學(xué)需求安排任務(wù)，組織學(xué)生以小組為單位合作學(xué)習(xí)，一起思考、研究和解決問題，使其感受到建構(gòu)物理模型的意義和趣味，逐步提升他們的建構(gòu)物理模型能力和核心素養(yǎng).

如在“電勢能”教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)電場的分布和電勢能相關(guān)知識(shí)時(shí)難度較大，尤其是涉及變化過程更是很難理解.這時(shí)教師可以設(shè)置任務(wù)：請結(jié)合重力勢能相關(guān)知識(shí)展開學(xué)習(xí)，與電勢能的變化進(jìn)行類比，以此降低知識(shí)的理解難度.讓學(xué)生將重力勢能與電勢能這兩種能量發(fā)生變化相似的過程聯(lián)系起來，引導(dǎo)他們建立一個(gè)用來解釋重力做功和重力勢能變化關(guān)系的模型，通過類比構(gòu)建出相近的物理模型.

在任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，學(xué)習(xí)目的更為明確，想象空間得以拓寬，思維方式則變得更為深入和發(fā)散.

2.4 設(shè)計(jì)經(jīng)典練習(xí)題目，強(qiáng)化模型建構(gòu)練習(xí)

為了有效開展高中物理模型建構(gòu)教學(xué)，不能只停留在理論說教方面，需要加強(qiáng)實(shí)踐活動(dòng)開展，引入經(jīng)典的物理題目，引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)模型，解決物理問題，逐漸培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)意識(shí)，使其體會(huì)到物理模型的實(shí)用性和價(jià)值.

例如，如圖2所示，A、B是一個(gè)足夠長的光滑水平軌道，在其右側(cè)與一個(gè)足夠長的傳送帶平滑連接（忽略此處能量損失），傳送帶的傾角θ是37°，左側(cè)與半徑R=0.05 m豎直光滑的半圓軌道相連.用輕繩連接的甲、乙兩個(gè)物體可以看作質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)量分別是m1＝2 kg，m2＝1 kg，中間夾著一個(gè)被壓縮的彈簧，彈簧與物體間不連接，開始時(shí)兩個(gè)物體都靜止在水平面上，傳送帶與乙之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ＝0.5，g=10 m/s2.

（1）把甲固定，傳送帶保持靜止?fàn)顟B(tài)，將細(xì)線燒斷，乙在傳送帶上滑動(dòng)的最遠(yuǎn)距離是s＝0.3 m，求解彈簧壓縮時(shí)彈性勢能是多大？

（2）把乙固定，甲松開，將細(xì)線燒斷，甲進(jìn)入到半圓軌道，那么甲運(yùn)動(dòng)至D點(diǎn)時(shí)對軌道的壓力是多大？

（3）傳送帶以速度v＝1 m/s順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，甲、乙均不固定，將細(xì)線燒斷后，乙沿著傳動(dòng)帶運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)過程中摩擦產(chǎn)生的熱量是多少？

解析（1）此問題屬于彈簧模型，在彈簧恢復(fù)原長過程中，儲(chǔ)存的能量全部轉(zhuǎn)化成乙物體的動(dòng)能.根據(jù)能量守恒定律有Ep＝12m2v21，結(jié)合牛頓第二定律有m2gsinθ＋μm2gcosθ＝m2a，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式有s＝v212a，聯(lián)立式子代入相關(guān)數(shù)據(jù)后求得Ep＝3 J.

（2）根據(jù)能量守恒定律求出甲獲得的動(dòng)能，即為Ep＝12m1v22，從點(diǎn)B到點(diǎn)D過程中根據(jù)機(jī)械能守恒定律得12m1v22＝2m1gR＋12m1v2D，設(shè)軌道對甲產(chǎn)生的彈力大小是N，根據(jù)牛頓第二定律得N＋m1g＝m1v2DR，結(jié)合牛頓第三定律，甲對軌道的壓力N′＝N，代入相關(guān)數(shù)據(jù)后求得N′＝20 N.

（3）結(jié)合兩個(gè)守恒定律能夠得到m1v甲＝m2v乙，Ep＝12m1v甲2＋12m2v乙2，可得v乙＝2 m/s，v乙＞v.共速之前據(jù)牛頓第二定律得m2gsinθ＋μm2gcosθ＝m2a1，解得a1＝10 m/s2.到共速之前的時(shí)間是t1＝v1-va1＝0.1 s，其相對位移Δx1＝v乙t1-12a1t21-vt1＝0.05 m.共速后以a2繼續(xù)做勻減速運(yùn)動(dòng)，則m2gsinθ-μm2gcosθ＝m2a2，解得a2＝2 m/s2，減速至速度為0時(shí)，經(jīng)歷時(shí)間t2＝va2＝0.5 s，其相對位移Δx2＝vt2-v22a2＝0.25 m，那么運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)過程中產(chǎn)生的熱量Q＝μm2gcosθ（Δx1＋Δx2）＝1.2 J.

3 結(jié)束語

總的來說，在高中物理教學(xué)活動(dòng)中進(jìn)行模型建構(gòu)，不僅是對物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效提升，還是對原有教學(xué)模式的改進(jìn)與突破.教師需結(jié)合物理學(xué)科知識(shí)特征設(shè)計(jì)教學(xué)方法，以理解常見物理模型內(nèi)涵為前提，帶領(lǐng)學(xué)生通過建構(gòu)模型學(xué)習(xí)相應(yīng)的理論知識(shí)與解題技能，使其深入探索物理學(xué)科的奧秘，讓他們的整體學(xué)習(xí)效果更佳.

參考文獻(xiàn)：

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［責(zé)任編輯：李璟］