高中物理教學模型的構建與應用

龔紅梅

（鄭州幼兒師范高等專科學校，河南 鄭州450000）

物理是一門相對來說比較難的基礎學科，但是高中物理教育不僅開發學生思維還提高了學生學習能力，在高中教育階段有著舉足輕重的作用。 為了提高物理教學水平，構件物理模型進行物理教學得到了普遍關注。物理教學模型構建和運用對提高物理量教學水平具有重大意義，一方面它使物理教學克服以往純語言的教育，更加容易理解，另一方面物理模型的構建更加容易為物理學研究培養有實力的人才。

1 物理模型的構建過程

物理模型的構建是在物理理論的指導下，以客體的外在現象為前提，對客體外在現象與內在本質進行逐層剖析研究，然后經過抽象以及推理對研究客體和客體的內在本質做一定的描述。物理模型的構建的過程比較復雜，可以簡單概況為：抽象、類比、假說、形象思維四個過程。

1.1 抽象思維

大腦首先對所研究的客體外在現象進行加工處理，根據大腦分析結果選擇忽略次要因素，重點突出客體的主要因素及主要矛盾，建立能夠科學反映客體的主要矛盾的抽象思維。抽象思維是客體經大腦處理后對客體的本質做出的理性描述， 是感性認識到理性認識的升華。例如質點，眾所周知任何一個物體都有自己的形狀和大小，但是對于有些研究物體的形狀大小對研究的結果影響不大， 甚至可以忽略不計，這是不論物體的大小有多大，我們都將物體看做一個有質量的點。

1.2 類比思維

自然界的萬事萬物之間皆有聯系，因此在物理模型時可以采用類比思維依據以往的類似模型的思維建立新的物理模型。但是物理模型建立必須經過嚴格的論證，保證模型的科學合理性，不得違背基本理論。 例如，惠更斯根據聲波傳播過程中的衍射現象采用類比思維建立了光在介質中傳播的物理模型， 從而發現了光傳播過程中的衍射現象，更加完善了波在介質中傳播的模型，翻開了光學研究的新篇章。

1.3 假說思維

物理模型的建立過程中需要以在客體外在現象為前提，逐一排除非決定性的因素，建立由決定因素控制的科學模型。 但是非決定因素的劃分沒有統一固定的理論可以依據，劃非決定分時具體問題具體分析，有些因素對研究客體的影響并不確定，無法將其進行科學劃分。為了方便構建物理模型，常常先將其假定為非決定因素，然后對模型進行論證。 利用假說思維建立的物理模型需要進行更加嚴格的論證，保證模型能夠科學合理地反映研究客體，有時為了保證模型的科學性對研究客體的進行多種假設，建立多種假說模型進行比較。 其中典型的假說的代表如波爾的原子結構模型。

1.4 形象思維

物理模型的建立以研究客體外在現象為前提基礎，經過大腦加工將對客體的感性認識升華為理性認識。物理模型建立的過程首先是大腦通過客體感性認識形成直覺思維產物， 并在此基礎上形成形象思維。 可以說物理模型的建立過程是直接思維向形象思維的轉化過程。

2 構建物理模型在教學中的運用

物理模型教學作為一種重要形象的教學手段，能夠很好的應用于中學物理教學當中，有助于提高學生的創新和實踐能力，起到啟迪學生運用更加形象的手段來解決問題，在此結合新課改中物理模型教學的要求，構建單擺模型和運動狀態模型來闡述模型構建的具體方法和步驟。

2.1 單擺模型的構建

2.1.1 教學目標

單擺能夠模仿生活中常見類似的機械振動，通過單擺簡單重復的機械運動來模仿復雜的機械擺動能夠有效的簡化計算。單擺是一種理想化的模型，構建模型較為簡單，通過單擺模型的構建能夠清晰的說明物理模型構建的基本思維方法。

2.1.2 情景創設

注明物理學家伽利略曾經在大學期間數著自己的脈搏數進行祈禱，無意間觀察到天花板上的吊燈擺動規律和脈搏跳動具有一定的相似性，即擺動和跳動周期是一個相同的時間，在此基礎上他努力研究創造了自己的單擺模型。

演示實驗為將金屬小球用細線懸掛于鐵架臺上，在小球上作用力使其偏離一個較大的角度，然后撤去力后，小球會在一個位置兩側來回擺動。

2.1.3 構建單擺的理想化模型

在應用于教學當中時要充分發揮學生的主動性，在對相關知識講解完成后，要讓學生明白模型的形成條件，例如要簡化為單擺需要滿足的要求有以下幾項：

細線可以認為是剛性線段， 即在擺動中不會發生拉伸或收縮；細線的質量較輕，能夠忽略不計；和小球直徑相比，細線程度要大于一定比值，即可將小球看做是一個點；小球的質量要均勻，密度合理，可以將其看做質點的運動。

所以根據單擺運動和建立的單擺模型可以知道，模型的建立要先觀察其運動規律，根據運動現象分析抽象得到運動特點，進行簡化建立抽象模型。

2.2 物理運動狀態模型的構建

2.2.1 教學目標分析

在自然狀態下運動的物體也會隨著外界條件的變化，不斷改變運動狀態，在解決實際問題時，如果不進行基本假設并建立物理模型是不可能得到可靠結果的。舉例如汽車在圓形彎道上行駛時屬于圓周運動， 運動過程中汽車在彎道上行駛所需的向心力是由靜摩擦力提供的，但靜摩擦力是存在最大值的，當向心力超過最大靜摩擦力時，汽車就會偏離運行軌道，在分析這個問題時就要建立圓周運動模型，通過對比力的大小來處理實際相關問題。

2.2.2 情景創設

汽車在道路上行駛時遇到緊急情況，采用何種方式能夠更好的避免和降低車禍，例如假設汽車的最大靜摩擦力等于滑動摩擦力，當汽車執行遇到突然狀況是急轉彎好還是急剎車好？

2.2.3 構建理想化模型動

上述情景中，汽車遇到緊急狀況時不論采用哪種處理方式都是要盡可能的避免事故的發生，或減小事故造成的危害，但建立物理模型時需要采用不同的理論分析，這就要求學生分析兩種措施分別的運動規律，滿足了什么條件。 急轉彎汽車做圓周運動，靜摩擦力提供向心力，當圓周運動半徑小于舉例前方障礙物時，不會發生交通事故，負責會發生碰撞。 急剎車則是在滑動摩擦力下做減速直線運動，當到達前方障礙物時速度為零時，不會發生交通事故，這時可以通過假設建立勻變速直線運動模型進行分析。

2.2.4 解答

急轉彎時勻速院中運動向心力由靜摩擦力提供，

μmg=mv2/r

r=v2/μg

式中：m 為汽車質量；μ 為汽車與地面的動摩擦因素；r 為勻速圓周運動的最小半徑。

急剎車時假設汽車做勻減速運動，受到的阻力為一定值，則：

F=ma=μmg

a=μg

汽車行駛距離為：s=v2/2μg

式中：F 為汽車受到阻力；a 為汽車加速度。

2.2.5 點評

上述算例的關鍵是建立合適的物理運動模型，只有通過物體的運動規律和特點，合理推斷出其更加趨近于哪種物理運動，才能在假設的基礎上更好的分析問題。

通過物理模型解決實際問題能夠使學生更加靈活的運用所學知識，建立起良好的知識結構，有助于學生對物理綜合知識有一個更好的認識，增加學習興趣。但目前的教學當中，對物理模型的教學研究還存在很大的不足，學生和老師在這方面還缺少一定的認識，在未來一段時間還需要物理教學進一步的改革和研究，將物理模型教學真正的普及各個教學班級，強化學生的素質教育。

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