淺談物理模型的建立

王永剛

【摘 要】作為高中一門難于理解和學習的學科，怎樣進行良好地物理教學一直是廣大教育工作者探討的一點問題。作為一名工作在第一線的教師，我從多年的教學經驗中得到一點體會，物理教學的關鍵在于培養學生建立和解析物理模型的能力。本文從幾個實例來分析物理模型的建立，供各位同仁探討。

【關鍵字】物理模型；建立；實例；思想

【中圖分類號】G633 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）03-0058-02

引言

高中物理的學習一直以來都是學生學習的一個重點和難點，很多學生苦于無法找到合適的學習方法，使物理成績一直是木桶中的最短板。學好物理，方法最重要，學生必須注重物理思想的培養。物理模型是高中物理知識的載體，通過對其進行分析與講解，是學生獲得物理知識的一種基本方法，更是培養學生創造思維能力的重要途徑。學生在解題過程中的困難，主要來源于對物理模型的建立和應用上。導致這一狀況的原因，主要是學生的不良解題習慣和缺乏創造性思維能力。養成一種行之有效的解題思維流程對于高中物理的學習是非常有必要的，我先將這種思維過程歸結如下：

如何在解題過程中快速準確的建立起與題目相符合的物理模型至關重要，如果說正確識別或建立物理模型是正確解題的前提，那么在解決具有物理過程的物理習題時，學生頭腦中對物理過程的一個清晰的圖景則是解決此類物理問題的關鍵和保證。下面，以幾個具體事例來分析物理模型的建立。

一、基本模型

物理模型的建立，首先在于對基本模型的熟悉和掌握，高中物理中常用的幾種基本模型有以下幾種：

1.直線運動模型：包括最常見的勻速直線運動和勻變速直線運動兩種模型。

2.兩種曲線運動模型：一是平拋運動，包括：水平方向為勻速直線運動和豎直方向為自由落體運動；二是勻速圓周運動，主要是天體運動：由萬有引力提供向心力。

3.氣缸模型：氣缸模型分絕熱、恒溫等不同類型，另外還分活塞封口和水銀柱封口型，但百變不其宗，總的就是一個氣缸。

4.電學類：電學類的物理模型較多，但總的來說也就是如下幾個：并聯電路，串聯電路，平行板間的電場（勻強電場）、點電荷、點電荷在勻強電場中的運動。

5.磁學類：金屬桿切割磁感線、帶電粒子在勻強磁場中的運動（圓周運動）、電磁流量計、回旋加速器等模型，電磁學模型對于高中學生來說較難掌握，但熟悉基礎模型后具體問題也就迎刃而解了。

6.力學：力學模型是物理教學的重點，可以分為：完全彈性碰撞、完全非彈性碰撞、斜面體、堆在一塊的幾層物體等模型。

二、模型的應用

掌握了基本的模型，關鍵是在實際中的應用，下面我們從幾個方面來探討物理模型的建立于應用。模型的應用，要求我們對模型所遵循的規律十分熟悉，從而才能對具體的物理問題加以純化、抽象，靈活地運用規律進行推理和計算。

2.1單個模型

例一、平拋運動模型

某同學對著墻壁練習打網球，假定球在墻面上以25m/s的速度沿水平方向反彈，落地點到墻面的距離在10m至15m之間，忽略空氣阻力，取g=10m/s2，球在墻面上反彈點的高度范圍是（）A.0.8m至1.8m；B.0.8m至1.6m；C.1.0m至1.6m；D.1.0m至1.8m

解析：網球反彈后的速度大小幾乎不變，故反彈后在空中運動的時間在0.4s～0.6s之間，在這個時間范圍內，網球下落的高度為0.8m至

=僅以輕質彈簧為研究對象，則彈簧兩端的受力都1F，所以彈簧秤的讀數為1F .說明：2 F作用在彈簧秤外殼上，并沒有作用在彈簧左端，彈簧左端的受力是由外殼內側提供的。

點評：在中學階段，凡涉及的彈簧都不考慮其質量，稱之為“輕彈簧”，是一種常見的理想化物理模型.由于“輕彈簧”質量不計，選取任意小段彈簧，其兩端所受張力一定平衡，否則，這小段彈簧的加速度會無限大.故輕彈簧中各部分間的張力處處相等，均等于彈簧兩端的受力.彈簧一端受力為F，另一端受力一定也為F ，若是彈簧秤，則彈簧秤示數為F。

由以上兩道例題可以看出，有些物理題，只需要對其進行簡單的聯想抽象即可變為我們熟悉的物理模型，再進行一些數學計算即可得到答案。這是物理模型的基礎，關鍵在于平時對物理模型的積累和掌握。

2.2 復合模型

（1）直線運動的復合模型

例三、A、B兩輛汽車在筆直的公路上同向行駛。當B車在A車前84 m處時，B車速度為4 m/s，且正以2 m/s2的加速度做勻加速運動；經過一段時間后，B車加速度突然變為零。A車一直以20 m/s的速度做勻速運動。經過12 s后兩車相遇。問B車加速行駛的時間是多少？

解析：設A車的速度為vA，B車加速行駛時間為t，兩車在t0時相遇。

則有 0tvsAA= ①

對于此題的解析，我們需要從將這兩個單一模型組合建立成一個復合模型。這就需要我們在平時學習和練習中多加積累，進行分宗歸類，才能在遇到復雜的物理問題時，很快分解為幾個常見的物理模型。

三、電磁學類的復合模型。

電磁學中的力學模型一直都是高中物理的最難點之一，復雜的電磁學習題甚至讓不少學子感覺無從下手，完全沒有思路。其實我們不難發現，這些復雜的電磁學物理問題也只是由簡單的單個模型組合而成。只要我們熟練掌握各個簡單的物理模型，再運用正確的解題思路，將具體的物理問題先聯想抽象成幾個物理模型，再分別運用物理的理論知識寫出物理表達式，再組合就能完成對習題的解答。當然這是一個熟能生巧的過程，不是說我記住了幾個模型就能套用和解答，熟練建立物理模型也是一個慢慢積累的過程。

例四、如圖2所示，一質量為m=0.016kg、長L=0.5m、寬d=0.1m、電阻R=0.1Ω的矩形線圈，從h1=5m的高處由靜止開始下落，然后進入勻強磁場，當下邊進入磁場時，由于磁場力的作用，線圈正好作勻速運動。

（1）求勻強磁場的磁感應強度B。

（2）如果線圈的下邊通過磁場所經歷的時間t=0.15s，求磁場區域的高度h2.

（3）求線圈的下邊剛離開磁場的瞬間，線圈的加速度的大小和方向。

（4）從線圈的下邊進入磁場開始到線圈下邊離開磁場的時間內，在線圈中產生的焦耳熱是多少？磁學基本模型，又運用到了機械守恒定律和勻速直線運動模型，我們根據理論知識分別列出各種模型的物理表達式，再聯合考慮既能得到問題的解決思路。模型，這一概念可謂在物理學中各個領域得到充分的運用。

由此可知，解決物理問題，建立正確易懂的物理模型是破題的關鍵，建立物理模型要遵循物理研究問題和解決問題的思想及方法，即是把抽象問題具體化，化抽象思維為形象思維；把具體問題理想化，深入淺出，化復雜為簡單，當然把建模過程中要遵循原物理情景及規律，尊重客觀事實。學生如能貫徹這樣的學習思想，定能形成良好的解題習慣，提高分析和解決問題的能力，從而提高物理水平。

四、模型構建重在思想

思維定勢是人們在思維活動中所傾向的特定的思維模式。它是指人們按照某種固定的思路和模式去考慮問題，表現為思維的傾向性和專注性。構建物理模型一定程度上可以說是利用了思維定勢積極的一面。物理學科的研究對象是自然界物質的結構和最普遍的運動形式，對于那些紛繁復雜事物的研究，首先就需要抓住其主要的特征，而舍去那些次要的因素，形成一種經過抽象概括了的理想化的“模型”，這種以模型概括復雜事物的方法，是對復雜事物的合理的簡化。如運動員的跳水問題是一個“豎直上拋”運動的物理模型；人體心臟收縮使血液在血管中流動可簡化為一個“做功”的模型等等。物理模型是同類通性問題的本質體現和核心歸整。

模型的構建，是唯物辯證思維在物理學科的一個具體應用。一個正確的物理模型構建，能夠使學生講復雜的問題簡單化、明了化，使抽象事物變成直觀生動的事物，反映出事物的主要矛盾。培養學生在解決問題時分清次要矛盾、抓住主要矛盾的思維能力。構建模型，是一種高效解決問題的思維模式，是培養學生發散性、創造性思維能力的有效途徑。

教師在教學活動中，應該主動培養學生的建模意識，將建模思想貫穿在整個物理教學的始終，這不僅僅是滿足學生在處理實際物理問題的需要，更是對學生整個素質教育的提高都起到了極大的促進。采用啟發式、課題研究性教學模式，促進學生探究式學習，堅持以學生為主體，充分挖掘學生的主動性和積極思維的意識，自覺的在學習中構建物理模型。物理模型的構建意識，不是一個短期的過程，它需要一個長期的積累和不斷的運用。一但形成，必將達到事半功倍的效果，使學生在學習和思維乃至社會能力上都得到長足的進步，這才是我們教學的目的之所在。

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