淺析高中物理中的建模教學

1、淺析高中物理中的建模教學    寧麗芬摘要：物理是一門實驗性、應用性較強的學科，學好物理要求學生有較強的理解能力、推理能力、分析能力、實驗能力和應用數(shù)學工具解決物理問題的能力。而要培養(yǎng)學生的這些能力，教師就需要教會學生物理建模。關鍵詞：高中物理；模型；建模教學作者簡介: 寧麗芬，任教于河南省湯陰一中。物理是一門實驗性、應用性較強的學科，學好物理要求學生有較強的理解能力、推理能力、分析綜合能力、實驗能力和應用數(shù)學工具解決物理問題的能力。所以說，物理對學生的要求比較高。而作為一名高中物理教師，就是想辦法幫助學生走出困境、渡過難關，盡可能在平時的教學中培養(yǎng)學生

2、學習物理的興趣，培養(yǎng)學生學好物理的自信。學好物理重在“領悟道理”，筆者在長期的教學中探索了一套行之有效的方法，即幫學生建立基本的物理模型。一、物理模型與建模教學物理模型是對實際的問題進行科學抽象的處理，用一種反映原物本質(zhì)特征的理想物質(zhì)或過程或假設結構，去描述實際的事物或過程。建模既是一種思維過程，也是一種思維方法，其實質(zhì)就是將隱藏在復雜的物理情景中的研究對象或物理過程進行簡化、抽象、類比、提煉。因此，建模的目的就是根植于具體的物理情景并將其準確地呈現(xiàn)出來，從而分析、處理和解決物理問題。二、高中物理教材中常見的模型1. 理想化模型“質(zhì)點”模型：質(zhì)點是研究機械運動時引入的理想化模型，此模型可用于研

3、究大小和形狀可忽略不計的物體的運動。例如在天體運動中，把天體看做質(zhì)點，有助于使復雜問題簡單化，還有電學中的點電荷也是這類模型。“輕繩、輕桿、輕質(zhì)彈簧”模型：教學過程中要講清這三種模型的異同點，比如：輕桿對物體的彈力不一定沿著桿，輕繩彈力只能沿著繩子收縮的方向，彈簧在具體的問題中可能處于伸長或壓縮狀態(tài)等。在平時的訓練中常見的還有豎直平面內(nèi)的圓周運動，“輕繩小球”、“輕桿小球”等模型的臨界問題，“繩上有滑輪”、“半圓形支架”的動態(tài)平衡問題等。“理想變壓器”模型：所謂理想變壓器就是沒有能量損失的變壓器。2. 運動學模型“拋體運動”模型：包括自由落體、豎直上拋、豎直下拋、平拋、類平拋等。其中前三類都是

4、對應的勻變速直線運動，可以用運動學公式和牛頓運動定律來解決；后兩種是曲線運動，一般要運用運動的合成與分解來解決，其中類平拋還常解決帶電粒子在電場中的運動問題。例1：真空中的某裝置，如圖1所示，其中平行金屬板A、B之間有加速電場，C、D之間有偏轉(zhuǎn)電場，M為熒光屏。今有質(zhì)子、氘核和粒子均由A板從靜止開始被加速電場加速后垂直于電場方向進入偏轉(zhuǎn)電場，最后打在熒光屏上。已知質(zhì)子、氘核和粒子的質(zhì)量之比為124，電荷量之比為112，則下列判斷中正確的是        （   ）。A. 三種粒子從B板運動到熒光屏經(jīng)歷的時

5、間相同。B. 三種粒子打到熒光屏上的位置相同。C. 偏轉(zhuǎn)電場的電場力對三種粒子做功之比為122。D. 偏轉(zhuǎn)電場的電場力對三種粒子做功之比為124。解析：這道題就是帶電粒子在電場中的類平拋運動，可分為三個階段，在AB階段的勻加速，CD階段的偏轉(zhuǎn)，及之后的勻速直線運動?！皥A周運動”模型：包括天體運動、豎直平面內(nèi)的圓周運動、帶電粒子在磁場中的運動等，其中天體運動中的模型還有雙星、同步衛(wèi)星、宇宙速度。豎直平面內(nèi)的圓周要注意的是臨界問題，還有就是如果物體又受到電場力影響的話還得注意等效最高點和最低點問題，帶電粒子在磁場中的運動要注意根據(jù)幾何關系確定圓心、求半徑的方法?！叭舜蹦Ｐ?、“滑塊木板”模型、“子

6、彈打木塊”模型：這些模型在動量守恒和能量守恒的應用中經(jīng)常要用到，特別是“滑塊木板”模型、“子彈打木塊”模型在摩擦生熱、能量守恒、運動的臨界問題中是非常重要的內(nèi)容，并且要分清楚相對位移和對地位移。3.力學中的模型“斜面”模型：除可以解決摩擦力問題外，還可以在力的平衡及牛頓運動定律應用中大顯身手，學生學會了這個模型對解決力學有很大的幫助?！皞魉蛶А蹦Ｐ停核胶蛢A斜放置的傳送帶，在教學中可以綜合解決靜摩擦力、滑動摩擦力、功和能及摩擦生熱等問題。例2：如圖2所示，水平長傳送帶始終以速度v=3 m / s勻速運動，現(xiàn)將一質(zhì)量為1 kg的物塊放于左端（無初速度），最終物體與傳送帶一起以3 m / s的速度

7、運動，在物塊由速度為零增加至v=3 m / s的過程中，求：   （1）由于摩擦而產(chǎn)生的熱量。（2）由于放了物塊，帶動傳送帶的電動機消耗了多少電能。解析：（1）小物塊剛放到傳送帶上時其速度為零，相對于傳送帶向左滑動，受到一個向右的滑動摩擦力，使物塊加速，最終與傳送帶達到相同速度v。（2）電動機多消耗的電能即物塊獲得的動能及產(chǎn)生的熱量之和即。點評：在利用傳送帶運輸物體時，因物體與傳送帶間存在相對滑動而產(chǎn)生摩擦熱量，這樣就會使動力系統(tǒng)要多消耗一部分能量。在計算傳送帶動力系統(tǒng)因傳送物體而消耗的能量時，一定不要忘記物體在傳送帶上運動時因相對滑動而產(chǎn)生摩擦熱量的計算。4.電磁學中的模

8、型“混聯(lián)電路”模型：此類模型用的是閉合電路歐姆定律，常用來解決動態(tài)變化，如回路中電阻變化，判斷路端電壓，電流表、電壓表示數(shù)，及某一原件功率的變化，另外還可解決電路故障。“變壓器”模型：變壓器用的電磁感應原理，故在理想變壓器中要注意三個制約關系以及遠距離輸電的問題中能量損耗及功率分配問題?！皬秃蠄觥蹦Ｐ停阂活愂翘幚砘玖Ｗ雍蛶щ娦∏颉щ娢⒘５倪\動問題；另一類是帶電粒子在復合場中的應用，常見的有質(zhì)譜儀，回旋加速器，速度選擇器，磁流體發(fā)電機，電磁流量計，霍爾元件等等。電磁感應現(xiàn)象中的“單桿、雙桿、線圈”組合模型：這類模型可用于解決導體棒切割，感應電動勢等問題，以及電壓、電流及功率的計算。平面導軌、

9、豎直導軌、傾斜導軌與單桿及雙桿模型的組合解決電磁感應與力學綜合問題。例3：如圖3所示，質(zhì)量為m，邊長為L的正方形線框，在有界勻強磁場上方h高處由靜止自由下落，線框的總電阻為R，磁感應強度為B的勻強磁場寬度為2L，線框下落過程中，ab邊始終與磁場邊界平行且處于水平方向。已知ab邊剛穿出磁場時線框恰好做勻速運動。求：（1）cd邊剛進入磁場時線框的速度。（2）線框穿過磁場的過程中，產(chǎn)生的焦耳熱。解析：解答本題的關鍵是分析線框的運動情況。過程一：線框先做自由落體運動，直至ab邊進入磁場。過程二：做變速運動，從cd邊進入磁場到ab邊離開磁場，由于穿過線框的磁通量不變，故線框中無感應電流，線框作加速度為g

10、的勻加速運動。過程三：當ab棒穿出磁場時，線框做勻速直線運動。整個過程中，線框的重力勢能減少，轉(zhuǎn)化成線框的動能和線框電阻上的內(nèi)能。（1）設cd邊剛進入磁場時線框的速度為v0，ab邊剛離開磁場時的速度為v，由運動學知識，得：三、高中物理教學中建模的意義1. 體驗探求規(guī)律的過程物理模型的建立是一種嚴密的思維方法的運用，其思維過程非常明顯。但模型好用，不易建構。原因是每一個物理過程的處理，物理模型的建立，都離不開對物理問題的正確分析。在實際的教學過程中，可以讓學生感受物理模型的設計思想和分析思路，鼓勵學生敢于分析復雜的物理過程，培養(yǎng)學生運用科學抽象的思維方法處理問題的能力。2. 激發(fā)學生興趣，享受學

11、習樂趣引導學生學習和探究，必須先激發(fā)學生的學習興趣。建模教學能增加學生學習物理的信心，給學生帶來學習的快樂，激發(fā)學生強烈的求知欲望，產(chǎn)生巨大的學習動力。3.培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，豐富科學素養(yǎng)建模過程是一種創(chuàng)新過程，故建模教學自然可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力是兩個不同的概念，有時意識比能力更重要，意識的獲取需要建模教學及學生有較多的自主建模經(jīng)歷來實現(xiàn)。它能讓學生掌握獲取知識的方法，增強學生探究未知世界的興趣和能力，豐富學生的科學素養(yǎng)。參考文獻：1姜靜.淺談物理模型在物理教學中的運用J.大連教育學院學報，2010(1).2張同權.例析“帶電粒子在磁場中的圓周運動”J.高中數(shù)理

12、化，2010(1).作者單位：河南省湯陰一中郵政編碼：456150A Brief Analysis of Modeling Teaching in Senior High School PhysicsNING LifenAbstract: Physics is a subject of strong experiment and application and learning physics requires students to possess strong understanding ability, reasoning ability, analyzing ability, experiment ability and ability of applying mathematics tools to solve physics problems. In order to cultivate students these abilities, teachers must teach students physics modeling.Key words: senior high school physics; model; modeling teaching