高中物理教学中构建物理模型浅析

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  中学物理教学大纲明确指出:“在物理教学过程中,应该通过概念的形成,规律的得出,模型的建立,知识的应用……培养学生的分析、概括、抽象、推理、想象等思维能力”。其中建立物理模型,是物理解题中的重要策略和必要步骤,模型的建立正确与否或合理与否,直接关系到物理问题解决的质量。纵观物理学史,伽里略和牛顿构建了光滑这一理想化的模型,才有惯性定律的重大发现。法拉第在1852年,对带电体、磁体周围空间存在的物质,设想出电场线、磁场线一类力线的模型,并用铁粉显示了磁铁周围的磁力线分布形状,从而建立了场的概念,对当前的传统观念是一个重大的突破。卢瑟福也在1911年构思出原子的核式结构模型。可见物理模型是物理思想的产物,是科学地进行物理思维并从事物理研究的一种方法。培养学生构建物理模型的能力,就是指在解决物理问题过程中指导学生如何依据物理情景的描述,正确选择研究对象,抽象研究对象的物理结构和过程模式。笔者认为构建物理模型的途径有以下几种:
  
  一、明确物理对象,构建概念模型
  
  物理模型大都是以理想化模型为对象建立起来的。建立概念模型实际上是忽略次要因素,抓住主要因素,认清事物的本质,利用理想化的概念模型解决实际问题。如质点、刚体、点电荷、弹簧振子、单摆、理想电流表、理想电压表等等。学生在理解这些概念时,很难把握其实质,而建立概念模型则是行之有效的思维方式。
  
  二、突出主要矛盾,认清条件模型
  
  条件模型就是将已知的物理条件模型化,舍去条件中的次要因素,抓住条件中的主要因素。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。再如力学中的光滑面、以及在研究两个物体碰撞时,因作用时间很短,忽略了摩擦等阻力,认为系统的总动量保持不变。条件模型的建立,能使我们研究的问题得到很大的简化。
  
  三、建立物理图景,构建过程模型
  
  物理现象中任一物理过程是由无数个连续的状态组合而成,所谓过程模型就是将物理过程模型化,将一些复杂的物理过程经过分解、简化、抽象为简单的、易于理解的物理过程。如力学中的自由落体运动、匀速直线运动、平抛运动、简谐运动、弹性碰撞;电学中的稳恒电流、等幅振荡等等都是物理过程的模型化。过程模型的建立,不但可以使问题得到简化,还可以加深学生对有关概念、规律的理解,有利于培养学生思维的灵活性。
  
  四、挖掘隐含条件,构建情景模型
  
  在物理题目中,有些条件是隐蔽的。对于这些“含而不露”的隐含条件,必须全部挖掘出来,才能使一些模糊的物理过程变得具体化、形象化,才能揭示出它的特征和规律,然后建立过程解答。
  如1997年全国高考题:质量为m,电量为g的质点,在静电力作用下,以恒定速率口沿圆弧从A点运动到B点,其速度方向改变的角度为θ(弧度),AB弧长为s,求A、B两点间的电势差。
  对此题,不少考生认为题目给出的条件模型不清,不能建立合理的物理模型,感到无从下手。其实该题已给出了较隐蔽的条件:此质点只在静电力作用下以恒定速率υ沿圆弧运动,可以推断出此质点处在点电荷形成的电场中,可以构建“电子绕核作圆周运动模型”,这样,隐含条件挖掘了出来,物理模型也就清晰了。
  
  五、紧扣关键词句,构建物理模型
  
  在描述物理事物的结构或发展变化过程的时候,往往使题目的篇幅较长,文字量较大,给审题带来一定的困难,为此要求学生在审题时要重点把握关键字句,为模型的建立打好基础。如看到诸如“最大”“至少”“恰好”等字句要格外留意。电学中有这样的常见例子:
  一个U型导体框架,宽度为L=1m,其所在平面与水平面成a=30°角其电阻可忽略不计。设匀强磁场与U型框架的平面垂直,磁感应强度B=0.2T,今有一根导体棒ab,其质量m=0.2kg,有效电阻R=0.1Ω,跨放在u型框架上,并能无摩擦滑动,求导体ab下滑的最大速度。
  题中求“最大速度”几个字,是提示物理模型的关键性词句,最大,即不可增加,也就是导体ab将以此速度沿导轨斜向下作匀速直线运动。这样,通过关键字句,找到解题的突破口,头脑中形成清晰的物理模型。
  
  六、善用数学思想,构建物理模型
  
  客观世界的一切规律原则上都可以在数学中找到它们的表现形式。当然,由于物理模型是客观实体的一种近似,以物理模型为描述对象的数学模型,也只能是客观实体的近似的定量描述。例如,在研究外力一定时加速度和质量的关系实验中,认为小车受到的拉力等于砂和砂桶的重力,其实,小车受到的拉力小于砂和砂桶的总重力。只有当砂和砂桶的总质量远小于小车和砝码的总质量时,才可近似地取砂和砂桶的总重力为小车所受的拉力,这是我们采取简化计算的一种数学模型。再如单摆作简谐运动时,为什么要求摆角小于10度?这是因为只有在这种情形下,单摆的回复力才近似与位移成正比,才满足简谐运动的条件。
  “模型”的教学与应用贯穿整个物理教学的始终,教师在教学中应充分给予重视,通过教让学生更能理解、消化、掌握新知识;通过题解进一步升华物理知识,提高学生的抽象思维、发散思维等能力;通过实践让学生细细品味知识、品尝自然,在实践中创新,在创新中发展,使学生的创新能力、综合素质发生质的飞跃。
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