淺談物理模型在教學(xué)中的作用

1、談物理教學(xué)中的物理模型構(gòu)建安徽省天城中學(xué) 黃飛（231480）【摘 要】物理模型教學(xué)中將最基礎(chǔ)最典型的物理知識(shí)、物理問題介紹給學(xué)生，并通過建立物理模型，將研究方法也展示給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生思考、感悟以至升華。培養(yǎng)能力是落實(shí)課改的措施，知識(shí)是能力的載體。這就需要我們?cè)诮虒W(xué)中注意對(duì)學(xué)生進(jìn)行物理模型的總結(jié)歸納?！娟P(guān)鍵詞】物理模型 物理模型教學(xué) 科學(xué)性 策略性 理想化 物理是高中理科中學(xué)生普遍感覺到比較難的一門學(xué)科。物理課堂教學(xué)既是科學(xué)又是藝術(shù)，有其自身的科學(xué)性和策略性。高中物理學(xué)習(xí)，主要是學(xué)生個(gè)體智力活動(dòng)的過程與教師課堂教學(xué)的高效結(jié)合的過程。學(xué)習(xí)物理，模型的建立非常重要，不管是那方面的物理學(xué)，最重要的是

2、建立物理模型。特別是力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)，遇到一個(gè)物理問題我們首先要將它聯(lián)想到一個(gè)相關(guān)的物理模型。將復(fù)雜的；抽象的問題化為簡單的；直觀的問題。下面是高中物理教學(xué)中經(jīng)常用到的幾種物理模型 （1）研究對(duì)象的理想化模型 例如：質(zhì)點(diǎn)物理模型，它忽略了物體的形狀、大小、轉(zhuǎn)動(dòng)等性能，突出它所處的位置和質(zhì)量的特性，用一有質(zhì)量的點(diǎn)來代替。如當(dāng)物體本身的大小在所研究的問題中可以忽略或?qū)ρ芯繂栴}沒有影響，能當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)來處理；質(zhì)點(diǎn)的概念是一種科學(xué)的抽象，是理想化模型。這種抽象正是抓住問題的實(shí)質(zhì)，只要我們?cè)诮虒W(xué)過程中注意培養(yǎng)學(xué)生抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，逐步建立這種物理模型。以后遇到類似質(zhì)點(diǎn)的客觀實(shí)體比如：剛體、點(diǎn)電荷、點(diǎn)光

3、源、理想氣體、勻強(qiáng)電磁場等物理模型，學(xué)生就會(huì)自己分析學(xué)習(xí)了。 （2）物理狀態(tài)和物理過程的理想化模型例如：運(yùn)動(dòng)學(xué)中的勻速直線運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)；動(dòng)力學(xué)中的完全彈性碰撞；電學(xué)中的穩(wěn)恒電流， （3）理想化實(shí)驗(yàn)物理模型在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，根據(jù)邏輯推理法則，對(duì)過程進(jìn)一步分析、推理，找出其規(guī)律。例如，伽利略的理想實(shí)驗(yàn)為牛頓第一定律的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。 （4）研究對(duì)象的條件的模型當(dāng)研究動(dòng)量守恒定律時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)的內(nèi)力遠(yuǎn)大于外力時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)量守恒；當(dāng)研究帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，因粒子所受的重力遠(yuǎn)小于電場力，可以舍去重力的作用，使問題得到簡化。力學(xué)中的光滑面；電學(xué)中的勻強(qiáng)電場、勻強(qiáng)磁場等等，都

4、是把物體所處的條件理想化了。 培養(yǎng)學(xué)生建立和正確使用物理模型不僅有利于學(xué)生將復(fù)雜問題簡單化、明了化，使抽象的物理問題更直觀、具體、形象、鮮明，突出了事物間的主要矛盾； 而且對(duì)學(xué)生的思維發(fā)展、解題能力的提高起著重要的作用?？梢园岩杂形锢砟Ｐ偷闹R(shí)和將來探索的新知識(shí)相類比，起到模型的遷移，到達(dá)事半功倍的效果。下面以實(shí)際的例子來談?wù)劷⑽锢砟Ｐ偷倪^程。 A C B h B D 1動(dòng)能轉(zhuǎn)換內(nèi)能類型例1如圖所示，傾角為的導(dǎo)軌與水平導(dǎo)軌相連，連接處是光滑的圓弧。水平導(dǎo)軌上存在有磁感強(qiáng)度為B的豎直向上的磁場。同時(shí)水平導(dǎo)軌上有質(zhì)量為m、電阻為R的導(dǎo)體棒b。一根與b完全一樣的導(dǎo)軌a自斜面高為h處開始下滑，運(yùn)動(dòng)過

5、程中，a、b始終不發(fā)生碰撞。導(dǎo)軌無限長，電阻不計(jì)。問此過程中，兩根導(dǎo)體棒產(chǎn)生的熱量為多少？ 分析：此道題初看起來是有關(guān)電磁感應(yīng)的題目。通過產(chǎn)生的電動(dòng)勢大小來計(jì)算電流，再通過電功來計(jì)算熱量。但一算起來就很復(fù)雜，時(shí)間t=?,=? 但假如通過動(dòng)量與能量的變化模型來求就很容易！因?yàn)閷?dǎo)軌表面光滑，沒有摩擦力做功，在水平面上相互作用時(shí)動(dòng)量守恒。因此只要先求出導(dǎo)體棒在水平面時(shí)的初速度，再根據(jù)動(dòng)量守恒求出末速度，再根據(jù)動(dòng)能的損失就可求出熱量來。 解：導(dǎo)體棒a滑到水平面過程中機(jī)械能守恒,設(shè)水平時(shí)的速度為v0 mgh=mv2 v0= 水平面上動(dòng)量守恒，設(shè)末速度為vt則有mv0=(m+m)vt vt= EK =mv

6、02 - (m+m)vt2= Q = EK = (J) 評(píng)析：在這道題中我們是通過力學(xué)模型來解決電學(xué)問題。此類型的題目以能量轉(zhuǎn)化為聯(lián)系點(diǎn)，解題時(shí)往往把不同形式的能綜合起來考慮，把求電能轉(zhuǎn)換為求動(dòng)能的損失。與此類似的還有求安培力做功時(shí)，有同學(xué)總認(rèn)為功就必須用WFS來求。其實(shí)安培力做功往往就與產(chǎn)生電流有關(guān)，而且安培力做功就轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，我們可以用電學(xué)的相關(guān)知識(shí)來解。2彈力做功轉(zhuǎn)換重力做功類型 B A h例2如圖所示，一條長度為L，質(zhì)量為m的均勻繩子兩端分別掛在A、B兩點(diǎn)上，A、B高度差為h，若已知繩子在A點(diǎn)的張力等于TA,求繩子在B點(diǎn)的張力TB分析：此題目看起來很難，用正交分解法，確定不了角度的關(guān)系

7、，矢量三角形法又很難確定各個(gè)力的方向關(guān)系。但假如對(duì)機(jī)械能模型熟悉的話就可以利用重力做功來解決，通過取一小段繩子從A移到B重力做功來計(jì)算。解：假設(shè)繩子在A點(diǎn)有一定余量，我們?cè)贏點(diǎn)放出很小的一段，而在B點(diǎn)把這一小段收起來，很明顯，在這一過程中，外界對(duì)繩子所做的功為W（TB-TA）這個(gè)功使得長度為，質(zhì)量為的一小段繩子的重力勢能增加了gh(相當(dāng)于這一小段繩子從A點(diǎn)移到B點(diǎn))，因而（TB-TA） gh TB = TA+評(píng)析：這道題是通過建立能量變換模型來解力學(xué)問題。 我們求的雖然是彈力，除了用受力分析以外，我們還可以用與力有關(guān)的模型來解。用功能關(guān)系來解決力學(xué)問題的好處在于在：做功可以不考慮中間過程，只要

8、知道始末狀態(tài)的相關(guān)物理量就行了。與力有關(guān)的模型還有：平衡種類模型、牛頓第二定律模型、彈簧模型等等。3.在斜面或圓環(huán)上運(yùn)動(dòng)的時(shí)間最短模型 A hC B h C B O C B D D B B例3礦山中經(jīng)常要把開采出來的礦石運(yùn)到某處堆積起來，為了節(jié)省就使用傳送帶來輸送礦石。如圖所示，礦石從高為h的A處開始沿管道下落到傳送帶上，問在不考慮管道摩擦力時(shí)，管道應(yīng)如何放置才能使礦石下落的時(shí)間最短？分析：這個(gè)問題很多同學(xué)不假思索就會(huì)認(rèn)為是沿AC或AB管道下落時(shí)間最短，因?yàn)锳C距離短，AB加速度大。其實(shí)AB、AC都不是下落時(shí)間最短的通道。那么，這道題適用那種物理模型呢？ 在解決這個(gè)問題前，我們來先看另一個(gè)問題

9、：一個(gè)光滑的圓環(huán)，物體從頂點(diǎn)O沿不同的軌道OC、OB、OD下滑，滑到環(huán)上的時(shí)間那一個(gè)最短呢？很顯然，我們可以證明從不同的軌道下落的時(shí)間是相同的。那么這個(gè)關(guān)系能不能運(yùn)用到上面那道題呢？解：在豎直線AB上取一點(diǎn)O，O到傳送帶和A點(diǎn)的距離 A O C D B 相等，交于傳送帶上的D點(diǎn)。以O(shè)為圓心，OD為半徑畫圓，分別交AC、AB于E、F，再由連接AD。由剛才的情況可知，從頂點(diǎn)A到達(dá)E、D、F 的時(shí)間相等，若走 AC、AB則需多走CE、FB部分的時(shí)間，所以走AD的時(shí)間最短。 AEF 604530C B評(píng)析: 這道題應(yīng)用了圓周上運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同這一運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。通過對(duì)不同距離的比較，很容易就判斷了不同路徑的運(yùn)

10、動(dòng)時(shí)間長短。與此相對(duì)應(yīng)的模型還有：在光滑斜面上下滑時(shí)，傾角為45時(shí)的路徑所需的時(shí)間最短。如圖所示：證明：設(shè)斜面的長度為 s,下落的加速度為a，時(shí)間為t，則: sat2 a gsin t 當(dāng)45 時(shí) 時(shí)間t最短4圓周運(yùn)動(dòng)中的“雙星模型”例5：兩個(gè)帶異種電荷的粒子A和B，帶電量分別為5q和q，質(zhì)量分別為5m和m，兩者相距L，它們之間除了相互作用的電場力之外，不受其他力的作用。若要始終保持粒子A、B之間的距離不變，則關(guān)于這兩粒子運(yùn)動(dòng)情況的描述正確的是 （ ）A 都做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)速率相同B 都做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)周期相同C 都做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，且向心加速度大小相同D 不一定做勻速圓周運(yùn)動(dòng)A L

11、1 L2 O5m m分析：要始終保持粒子A、B之間的距離不變，它們必須繞共同質(zhì)心做勻速圓周運(yùn)。這類似天體運(yùn)動(dòng)中的“雙星模型”。運(yùn)用“雙星模型”的求解方法就可以簡便地求解本題。設(shè)它們做圓周運(yùn)動(dòng)的角速度為，如圖所示：根據(jù)向心力公式可得：k5 m L12m L 22 有因?yàn)長L1L2解得vAL1 vB 所以只有B正確。評(píng)析：這道題是電學(xué)中的力學(xué)題目，電荷間的庫侖力與天體運(yùn)動(dòng)中的萬有引力非常相似。因此我們用“雙星模型”來解這道電學(xué)題目，就可以問題得到簡單化。通過例子我們可以總結(jié)建立物理模型的基本程序（1） 通過審題，攝取題目信息。如物理現(xiàn)象（圓周運(yùn)動(dòng)、某個(gè)方向拋出、磁場或電場中偏轉(zhuǎn)等）、物理事實(shí)（發(fā)熱

12、、停下來、勻速、平衡等）、物理情景、物理狀態(tài)、物理過程。（2） 弄清題目中所給信息的諸多因數(shù)中什么是其主要因數(shù)。例如在受力分析時(shí)，物體受重力、支持力、拉力、摩擦力等作用，當(dāng)我們分析水平面上的運(yùn)動(dòng)情況時(shí)，有時(shí)就可忽略掉豎直方向上的作用。又如在分析帶電粒子（質(zhì)子、電子、粒子等基本粒子）在電場、磁場或電場和磁場組成的復(fù)合場中的受力時(shí)，往往可以忽略掉重力的作用（有特別說明例外）。（3） 在尋找與已有信息（某種知識(shí)、方法、模型）的相識(shí)、相近或聯(lián)系，通過類比聯(lián)想或抽象概括，或邏輯推理，或原型啟發(fā)，建立新的物理模型，將新情景問題“難題”轉(zhuǎn)化為常規(guī)命題。（4） 選擇相關(guān)的物理規(guī)律求解。當(dāng)然建立物理模型并不是憑空想像一些東西。它要有科學(xué)根據(jù)，符合事物的客觀規(guī)律。要建立最理想的物理模型，首先要有豐富的想像力。遇到一個(gè)物理問題，我們能不能將它聯(lián)系到我們實(shí)際生活中的實(shí)際模型。想像力是非常重要的，想像力的鍛煉來自于平時(shí)的物理學(xué)習(xí)中。一個(gè)簡單的力，我們一要把它想成時(shí)候中的推；拉；抬等，這些動(dòng)作在我們腦子中活靈活現(xiàn)，也就是說平時(shí)學(xué)習(xí)物理時(shí)，我們要有意識(shí)無意識(shí)的培養(yǎng)我們的抽象；想像能力。從最簡單的到復(fù)雜的，這樣到一定程度在你腦子里就會(huì)有一個(gè)系統(tǒng)的；完整的物理模型體系。當(dāng)遇到物理問題時(shí)，腦中的模型就會(huì)信手掂來。從而物理問題就會(huì)迎刃而解。其次要具備豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。科學(xué)來源于實(shí)踐，豐