浅谈物理模型在教学中的作用

谈物理教学中的物理模型构建安徽省天城中学黄飞（231480）【摘要】物理模型教学中将最基础最典型的物理知识、物理问题介绍给学生，并通过建立物理模型，将研究方法也展示给学生，引导学生思考、感悟以至升华。培养能力是落实课改的措施，知识是能力的载体。这就需要我们在教学中注意对学生进行物理模型的总结归纳。【关键词】物理模型物理模型教学科学性策略性理想化物理是高中理科中学生普遍感觉到比较难的一门学科。物理课堂教学既是科学又是艺术，有其自身的科学性和策略性。高中物理学习，主要是学生个体智力活动的过程与教师课堂教学的高效结合的过程。学习物理，模型的建立非常重要，不管是那方面的物理学，最重要的是建立物理模型。特别是力学与运动学，遇到一个物理问题我们首先要将它联想到一个相关的物理模型。将复杂的；抽象的问题化为简单的；直观的问题。下面是高中物理教学中经常用到的几种物理模型（1）研究对象的理想化模型例如：质点物理模型，它忽略了物体的形状、大小、转动等性能，突出它所处的位置和质量的特性，用一有质量的点来代替。如当物体本身的大小在所研究的问题中可以忽略或对研究问题没有影响，能当作质点来处理；质点的概念是一种科学的抽象，是理想化模型。这种抽象正是抓住问题的实质，只要我们在教学过程中注意培养学生抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，逐步建立这种物理模型。以后遇到类似质点的客观实体比如：刚体、点电荷、点光源、理想气体、匀强电磁场等物理模型，学生就会自己分析学习了。（2）物理状态和物理过程的理想化模型例如：运动学中的匀速直线运动、自由落体运动；动力学中的完全弹性碰撞；电学中的稳恒电流，（3）理想化实验物理模型在实验的基础上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，根据逻辑推理法则，对过程进一步分析、推理，找出其规律。例如，伽利略的理想实验为牛顿第一定律的产生奠定了基础。（4）研究对象的条件的模型当研究动量守恒定律时，当系统的内力远大于外力时，系统的动量守恒；当研究带电粒子在电场中运动时，因粒子所受的重力远小于电场力，可以舍去重力的作用，使问题得到简化。力学中的光滑面；电学中的匀强电场、匀强磁场等等，都是把物体所处的条件理想化了。培养学生建立和正确使用物理模型不仅有利于学生将复杂问题简单化、明了化，使抽象的物理问题更直观、具体、形象、鲜明，突出了事物间的主要矛盾；而且对学生的思维发展、解题能力的提高起着重要的作用。可以把以有物理模型的知识和将来探索的新知识相类比，起到模型的迁移，到达事半功倍的效果。下面以实际的例子来谈谈建立物理模型的过程。1．动能转换内能类型例1．如图所示，倾角为θ的导轨与水平导轨相连，连接处是光滑的圆弧。水平导轨上存在有磁感强度为B的竖直向上的磁场。同时水平导轨上有质量为m、电阻为R的导体棒b。一根与b完全一样的导轨a自斜面高为h处开始下滑，运动过程中，a、b始终不ACBhBθD发生碰撞。导轨无限长，电阻不计。问此过程中，两根导体棒产生的热量为多少？分析：此道题初看起来是有关电磁感应的题目。通过产生的电动势大小来计算电流，再通过电功来计算热量。但一算起来就很复杂，时间t=?,ε=?但假如通过动量与能量的变化模型来求就很容易！因为导轨表面光滑，没有摩擦力做功，在水平面上相互作用时动量守恒。因此只要先求出导体棒在水平面时的初速度，再根据动量守恒求出末速度，再根据动能的损失就可求出热量来。解：导体棒a滑到水平面过程中机械能守恒,设水平时的速度为v0∴mgh=21mv20∴v0=gh2水平面上动量守恒，设末速度为vt则有mv0=(m+m)vt∴vt=2ov=22gh△EK=21mv02-21(m+m)vt2=2mgh△Q=△EK=2mgh(J)评析：在这道题中我们是通过力学模型来解决电学问题。此类型的题目以能量转化为联系点，解题时往往把不同形式的能综合起来考虑，把求电能转换为求动能的损失。与此类似的还有求安培力做功时，有同学总认为功就必须用W＝F·S来求。其实安培力做功往往就与产生电流有关，而且安培力做功就转化为内能，我们可以用电学的相关知识来解。2．弹力做功转换重力做功类型例2．如图所示，一条长度为L，质量为m的均匀绳子两端分别挂在A、B两点上，A、B高度差为h，若已知绳子在A点的张力等于TA,求绳子在B点的张力TB分析：此题目看起来很难，用正交分解法，确定不了角度的关系，矢量三角形法又很难确定各个力的方向关系。但假如对机械能模型熟悉的话就可以利用重力做功来解决，通过取一小段绳子△l从A移到B重力做功来计算。解：假设绳子在A点有一定余量，我们在A点放出很小的一段△l，而在B点把这一小段收起来，很明显，在这一过程中，外界对绳子所做的功为W＝（TB-TA）△lBAh这个功使得长度为△l，质量为Llm的一小段绳子的重力势能增加了Llmgh(相当于这一小段绳子从A点移到B点)，因而（TB-TA）△l＝Llmgh∴TB=TA+Lmgh评析：这道题是通过建立能量变换模型来解力学问题。我们求的虽然是弹力，除了用受力分析以外，我们还可以用与力有关的模型来解。用功能关系来解决力学问题的好处在于在：做功可以不考虑中间过程，只要知道始末状态的相关物理量就行了。与力有关的模型还有：平衡种类模型、牛顿第二定律模型、弹簧模型等等。3.在斜面或圆环上运动的时间最短模型例3．矿山中经常要把开采出来的矿石运到某处堆积起来，为了节省就使用传送带来输送矿石。如图所示，矿石从高为h的A处开始沿管道下落到传送带上，问在不考虑管道摩擦力时，管道应如何放置才能使矿石下落的时间最短？分析：这个问题很多同学不假思索就会认为是沿AC或AB管道下落时间最短，因为AC距离短，AB加速度大。其实AB、AC都不是下落时间最短的通道。那么，这道题适用那种物理模型呢？在解决这个问题前，我们来先看另一个问题：一个光滑的圆环，物体从顶点O沿不同的轨道OC、OB、OD下滑，滑到环上的时间那一个最短呢？很显然，我们可以证明从不同的轨道下落的时间是相同的。那么这个关系能不能运用到上面那道题呢？解：在竖直线AB上取一点O，O到传送带和A点的距离相等，交于传送带上的D点。以O为圆心，OD为半径画圆，分别交AC、AB于E、F，再由连接AD。由刚才的情况可知，从顶点A到达E、D、F的时间相等，若走AC、AB则需多走CE、FB部分的时间，所以走AD的时间最短。评析:这道题应用了圆周上运动时间相同这一运动学模型。通过对不同距离的比较，很容易就判断了不同路径的运动时间长短。与此相对应的模型还有：在光滑斜面上下滑时，倾角为45º时的路径所需的时间最短。如图所示：证明：设斜面的长度为s,下落的加速度为a，时间为t，AhCBhCBOCBDDBBAOCDBAEF604530ºCB则:s＝21at2＝cosBCsa＝gsinθt＝as2＝sincos2gsBC＝2sin4BCs∴当θ＝45º时时间t最短4．圆周运动中的“双星模型”例5：两个带异种电荷的粒子A和B，带电量分别为5q和—q，质量分别为5m和m，两者相距L，它们之间除了相互作用的电场力之外，不受其他力的作用。若要始终保持粒子A、B之间的距离不变，则关于这两粒子运动情况的描述正确的是（）A．都做匀速圆周运动，且运动速率相同B．都做匀速圆周运动，且运动周期相同C．都做匀速圆周运动，且向心加速度大小相同D．不一定做匀速圆周运动分析：要始终保持粒子A、B之间的距离不变，它们必须绕共同质心做匀速圆周运。这类似天体运动中的“双星模型”。运用“双星模型”的求解方法就可以简便地求解本题。设它们做圆周运动的角速度为ω，如图所示：根据向心力公式可得：k225Lq＝5mL1ω2＝mL2ω2有因为L＝L1＋L2解得vA＝ωL1＝mLkq62vB＝mLkq6252所以只有B正确。评析：这道题是电学中的力学题目，电荷间的库仑力与天体运动中的万有引力非常相似。因此我们用“双星模型”来解这道电学题目，就可以问题得到简单化。通过例子我们可以总结建立物理模型的基本程序（1）通过审题，摄取题目信息。如物理现象（圆周运动、某个方向抛出、磁场或电场中偏转等）、物理事实（发热、停下来、匀速、平衡等）、物理情景、物理状态、物理过程。（2）弄清题目中所给信息的诸多因数中什么是其主要因数。例如在受力分析时，物体受重力、支持力、拉力、摩擦力等作用，当我们分析水平面上的运动情况时，有时就可忽略掉竖直方向上的作用。又如在分析带电粒子（质子、AL1L2O5mm电子、α粒子等基本粒子）在电场、磁场或电场和磁场组成的复合场中的受力时，往往可以忽略掉重力的作用（有特别说明例外）。（3）在寻找与已有信息（某种知识、方法、模型）的相识、相近或联系，通过类比联想或抽象概括，或逻辑推理，或原型启发，建立新的物理模型，将新情景问题“难题”转化为常规命题。（4）选择相关的物理规律求解。当然建立物理模型并不是凭空想像一些东西。它要有科学根据，符合事物的客观规律。要建立最理想的物理模型，首先要有丰富的想像力。遇到一个物理问题，我们能不能将它联系到我们实际生活中的实际模型。想像力是非常重要的，想像力的锻炼来自于平时的物理学习中。一个简单的力，我们一要把它想成时候中的推；拉；抬等，这些动作在我们脑子中活灵活现，也就是说平时学习物理时，我们要有意识无意识的培养我们的抽象；想像能力。从最简单的到复杂的，这样到一定程度在你脑子里就会有一个系统的；完整的物理模型体系。当遇到物理问题时，脑中的模型就会信手掂来。从而物理问题就会迎刃而解。其次要具备丰富的实际经验。科学来源于实践，丰富的实践经验为科学提供了依据。物理作为一门适用性很强的学科，更是不例外。大多数物理问题在我们的实际生活中都有其影子。所以只要我们有大量的实践经验，就会遇到更多的事物。从而为我们的想像力提供材料。【参考文献】1、《物理思维论》广西教育出版社阎金铎2、《中学物理教育学》上海教育出版社张民生3、《走进新课程——与课程实施者对话》北京师范大学出版社朱慕菊4、《教师教学究竟靠什麽——谈新课程的教学观》北京大学出版社周小山