三種理想模型在高中物理教學中的應用

【摘 要】主要介紹物理教學中遇到的力學理想模型、傳動帶理想模型、運動理想模型，及其在實際中的應用。

【關鍵詞】高中物理 理想模型 應用

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2015）11B-0072-02

在目前高中物理教學中，一直強調理論聯系實際，但是在教學中發現許多學生的實際應用能力比較弱，這主要是因為許多學生對物理模型的理解不透徹，對物理模型方法掌握不牢。為了便于學生理解，在高中物理學習中會建立許多物理理想模型，學生在物理理想模型的輔助之下進行學習，在理想模型下進行解決問題。但是在建立物理模型的時候，如果教學目標不明確，模型建立不精確，就會影響學生對理想模型的理解，使學生在解決實際問題中不會建立合適的理想模型，把實際的問題向理想模型轉化，因此，教師在高中物理教學中需要對重要的物理理想模型進行分析講解，以提升學生實際轉化與應用的能力。

一、力學模型

力學是高中物理教學中重要的內容之一，而力存在于自然界的時候，是很復雜的，為了便于學生理解各種力，往往會建立一些理想力學模型。在高中物理中，典型的力學模型主要有三種：第一種是輕繩模型。輕繩的模型的特點就是質量視為零；只產生拉伸形變，不產生壓縮形變；輕繩長度不變。第二種是輕桿模型。輕桿模型的特點是質量視為零；既有拉伸形變，也有壓縮形變；不能伸長也不能壓縮，長度視為不變。第三種是彈簧模型。彈簧模型的特點是質量視為零；彈簧是一個整體；彈簧瞬間形變視為零。

比如下面這個問題：“勻加速運動的小車上有一根輕繩，在輕繩上有一個小球，問此時輕繩對小球的作用力和方向。”在解決這道題目的時候，在題目中出現“輕繩”“小球”這樣的字眼，學生就需要想到建立力學理想模型。“輕繩”就需要忽略繩的質量，而“小球”指的是需要將其看做是沒有大小、只有質量的質點。這些理想模型建好以后，才對小球的受力情況進行分析。只有這樣，才能夠求得出最后的結論。在解決類似的問題的時候，教師需要引導學生按照“建立模型——受力分析——解決問題”這個步驟來解決問題。同時，教師需要對學生指出，在建立模型的時候，必須要符合理想模型的條件，對不符合理想模型的問題不能夠硬套用。再比如，在解決物體在豎直方向上的圓周運動這類問題的時候，一般涉及輕桿模型和輕繩模型，此時要注意這兩種模型是有區別的，輕繩模型只能對小球產生向心的力，不能夠對小球產生背離向心的力，因此小球在圓周最高點的時候速度最小。

二、傳送帶模型

傳送帶模型是高中物理中重要的一種理想模型。傳送帶與實際的聯系也緊密，涉及動力學以及能量等多方面的問題，因此學生要掌握好傳送帶模型。傳送帶模型主要有四方面的特點：首先是力學特點。就是需要外力才能夠運動。其次是運動學特點。常見的傳送帶主要是勻速運動和勻變速運動，在對速度進行判斷的時候，帶上線速度和邊緣的線速度是相同的。再次是工作特點。物體在傳送帶中能夠移動主要是依靠摩擦力來帶動的。最后是傳送帶上的能量變化。傳動帶是消耗電能才得以運動，在運動過程還由于摩擦而產生了熱量。教師在教學過程中需要讓學生對傳送帶理想模型的特點進行重點理解，只有這樣，學生在解決有關傳送帶的問題的時候才能夠根據這些特征來判斷是不是傳送帶理想模型，也才能有針對性地解決這樣的問題，提升學生的思維能力。

比如下面這道傳送帶動力學問題：“傳送帶和地面之間的夾角θ=37°，傳送帶上放一個質量為m的物體M，物體和傳送帶之間的摩擦系數是μ，傳送帶AB無限長，請問物體M從傳送帶頂端到傳送帶底端B之間的運用情況是怎樣的？”在解決這個問題的時候，學生首先需要對物體M的受力情況進行分析，分析傳送帶和物體之間的相對運動。物體在傳送帶上最初受重力和摩擦力的作用會斜向下做勻加速直線運動。當物體的速度和傳送帶的速度相同的時候，二者之間就沒有了相對滑動，處于相對靜止狀態，二者也不再產生摩擦力。但是物體本身有重力，會對物體產生向下的運動趨勢，因此接下來物體M的運動狀態又會改變，具體如何變化還需要根據μ和tanθ的大小來進行分析。在解決這個問題的時候，關鍵是要判斷物體的運動模型以及物體的受力狀況，根據受力狀況來分析運動狀態。學生在學習中需要對這些模型進行靈活運用。

三、典型運動模型

高中物理中典型的運動模型是對實際運動的理想化，物體實際運動過程比理想的運動模型要復雜得多，學生學起來也感到比較困難。將運動模型理想化的目的是便于學生去理解運動過程。比如在理想運動中，會涉及“質點”這個概念。現實中質點是不存在的，但是在解決物理問題的時候，就需要將物體看做沒有大小的質點，只有這樣才能比較方便地解決問題。在高中物理中典型的理想運動模型主要有三種：第一種是直線運動模型。直線模型中又包括勻速直線運動、勻變速直線運動以及變加速直線運動模型。第二種是平拋運動模型。平拋運動模型的主要特點就是忽略了物體在平拋過程中所受的空氣阻力，可以將平拋運動分解為水平的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動。第三種是圓周運動。重點是學習勻速圓周運動的模型。勻速圓周運動在運動過程中合外力的方向一直指向圓心。

高中物理中“勻變速直線運動”是運動中十分重要的內容，解決此類問題的時候也需要注重理想模型的建立。比如下面這個問題：“汽車在制動剎車以后，輪胎會在地面上滑動，產生劃痕，這就是剎車痕。因此可以通過剎車痕的長度來判斷汽車在剎車前是否超速的問題。”在解決這個問題的時候，需要建立運動理想模型。汽車剎車過程的物理模型是勻減速直線運動，在整個過程中產生加速度的力是摩擦力。學生在解題過程中還需要注意在摩擦力的作用下汽車做減速運動的時候，只能將汽車的速度減為0。因此在解決這類實際問題的時候，需要聯系實際情況來來解決，不能盲目地套用公式，使得最后得出的結果不合理。在教學中筆者發現一些學生不會將實際問題轉化為物理理想模型，因此，教師就需要引導學生對這些實際問題進行分析，鍛煉學生的轉化能力。比如有的學生對勻減速運動不容易理解的時候，教師可以引導學生對該問題進行逆向思考，把它看成是初速度為零、加速度不變的勻加速運動，這樣就方便學生對問題進行理解和解決。再比如下面這種平拋問題：“A、B小球相距 l ，從同一高度落下，A做平拋運動，B做自由落體運動。碰到地面之后反彈，豎直方向的速度大小不變、方向相反，而水平方向的速度不變。忽略小球與地面碰撞的時間，那么兩個小球是否能碰撞。”這個問題主要就是考察學生對“平拋理想模型”的理解，學生在解題過程中重點是對平拋運動在豎直和水平方向上的運動進行分解，體會運動彼此獨立性。學生如果能這樣對平拋運動進行分解，那么就能夠很快地解決這道題目。

綜上所述，在高中物理教學中，教師需要注重培養學生的模型意識，讓學生能夠將實際問題轉化成具體的理想模型，然后對問題進行分析，幫助對問題的理解，快速解決物理問題，提升學生物理學習能力。

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（責編 盧建龍）