高中常用物理模型歸納

陳金朋

摘 要：高中物理教學研究對象是自然界基本的物質結構和普通的運動形式，而在實際生活和生產中物體、條件和過程復雜多變，對物體、條件和過程的研究就要抓住其主要特征，而舍去一些次要因素進行合理的簡化。在教學時，將這一簡化過程，稱為構建物理模型。由于物理模型是同類通性問題的本質體現和核心歸納，構建物理模型一直是中學物理教學的重要內容，它對提高課堂效率，培養學生能力很有作用。本文通過結合具體題例，對高中階段三種常用物理模型的分析，探究如何培養和激發學生創新能力的方法。

關鍵詞：構建物理模型；抓住主要特征；舍去次要因素；培養創新能力

作為一線物理教師都清楚，解決物理問題通?？煞譃樗膫€環節：審視物理情景；構建物理模型；轉化為數學問題；還原為物理結論。而在這四個環節中，學生最難掌握的是構建物理模型。構建物理模型就是在物理教學研究中，為了研究問題的需要，抓住原型問題的主要特征，而舍去一些次要因素，合理的簡化然后用它代替原型進行研究的過程。例如：人跑步、輪船在大海中航行，可以把人、輪船當成質點；籃球水平拋出時，就只要考慮籃球所受到的重力，不必考慮籃球受到的空氣阻力；運動員的跳水問題也可以簡單看成是一個“豎直上拋”運動物理模型。因此不難看出物理模型是同類通性問題的本質體現和核心歸納，高中常用物理模型可歸納為以下三種模式：

1 對象模型

對象模型就是把研究對象本身理想化，用來代替由具體物質組成的實體系統。常用的如“力學”質點、輕桿、輕繩、輕彈簧、彈簧振子、單擺；“熱學”理想氣體、絕熱物質；“光學”光線、點光源；“電磁學”點電荷、理想電表、理想變壓器、勻強電場、勻強磁場；“原子物理”盧瑟福行星式模型、波爾的原子模型等等。學生對上述的對象模型理解，合理的抽象，就可以快速構建物理模型，輕松解題。如已知在豎直墻壁上掛著一幅長1.80m的畫，畫本身的質量為100g，下端畫軸質量為200g，將它沿墻緩慢豎直卷起，取g=10m/s2，需要做多少焦耳的功 [1 ]。許多學生拿到題目后，不知從何處入手，這就是他不能有效地構建對象模型。這時，我們教師應要啟發學生抓住主要特征，稍微對學生點撥一下：本道物理題目中緩慢豎直卷起的畫，可拆解為兩部分：第一部分卷起“1.80m，100g的畫”看成抬高“0.90m，100g的質點”。第二部分卷起“下端的200g畫軸”看成同時舉高“1.80m，200g的質點”，模型構建起來后，解這道題就輕松多了。這樣，教師既澄清了學生解這類題目的思路，又培養了學生的能力。

2 條件模型

條件模型就是把研究對象所處的外部條件理想化，突出影響研究對象運動的本質特征和主要因素，排除影響研究對象運動變化的次要成份，從而構建的物理模型。常用的如“拋”“跳”運動，可以忽略了空氣阻力和風力的影響，只要考慮物體受重力作用；帶電粒子在電磁場中運動只要考慮電場力、磁場力作用，而忽略了重力的影響；人體心臟收縮可簡化為“做功活塞”等等。如圖1所示，勻強磁場的邊界為平行四邊形ABCD，其中AD邊與對角線BD垂直，一束電子以大小不同的速度沿BD從B點射入磁場，試討論電子在磁場中運動時間與射出位置的關系 [2 ]。要解本題需要忽略電子的重力和電子間的相互作用，只考慮洛倫茲力的作用，電子做勻速圓周運動，討論在AB邊或AD邊射出的兩種不同情況就可以。作為教師就要嘗試用多種手段去幫助學生抓住原型問題的主要特征，而舍去一些次要因素，合理簡化研究對象所處的外部條件，從而提高課堂效率，事半功倍。

3 過程模型

過程模型就是把具體物理過程理想化。理想化的物理現象或過程有：勻速直線運動、勻變速直線運動、勻速圓周運動，平拋運動、簡諧振動等，高中物理教學常把上述運動的一個或幾個過程組合加以命題，考查學生的分析問題的能力。2011年廈門聯考卷中有：如圖2所示豎直平面內有相互垂直的勻強電場和勻強磁場，電場強度E1=2500N/C方向豎直向上；磁感應強度B=103T，方向垂直紙面向上，有一質量m=1×10-2kg電荷量q=4×10-5C的帶正電小球自O點沿與水平線成45°角以v0=4m/s的速度射入復合場中，之后小球恰好從P點起進入電場強度E2=2500N/C，方向水平向左的第二個勻強電場中，不計空氣阻力，g取10 m/s2，求：（1）O點到P點的距離s1；（2）帶電小球經過P點的正下方Q點時與P點距離s2。

本題在當年我?？荚嚂r，得分情況很不理想，歸根結底是學生不能有效地進行過程分析，構建過程模型的結果，在O到P的過程中，由于小球受的重力和電場力大小相等，方向相反，相互抵消，只受洛倫茲力作用，小球做勻速圓周運動；在P到Q的過程中，由于小球的重力和電場力的合力與射到P點的速度垂直，小球做類平拋運動。只要這兩個過程分析出來，構建起模型解這道題目也就不難了。可見，在高中物理教學中，注重把具體物理過程合理抽象轉換成理想化的物理現象或過程是十分重要的，是我們教師首先要牢固掌握并熟練運用的教學手段。

上述的三種構建物理模型方式，不管哪一種都是一項創造性的思維活動能力，加強對常規模型的分析、探討和挖掘是培養學生創新能力的根本；而對“物理模型”的遷移和應用、重組“物理模型”，不斷激發學生的靈感，探索方法是創新能力的特質；升華構建新的物理模型是教學的最高目標，最終指向。

在平時教學中，我們往往對物理模型的研究范疇和著眼點只局限于單一知識板塊，如“子彈打擊木塊的模型及其應用”，“汽車運動兩個模型”“斜面問題”的研究等等。這樣看似也是許多模型的構建與應用，雖然也會幫助提高解決問題的效率，但學生對眾多物理模型的組合畢竟只能呈現無序狀態，沒有系統，導致學生只能照搬硬套，囫圇吞棗。這樣當解題條件有所變化時，學生就無法識別模型，而往往難以入手。

總之，一線物理教師要更加充分認識構建物理模型的必要性，有的放矢，合理遷移、應用和重組“物理模型”不斷激發學生的靈感，從而更有效提高課堂教學效率和培養學生創新能力。

參考文獻：

[1]宋樹杰.新課標高中物理2（必修）導與學（福建專版）[M].濟南：山東科學技術出版社，2012.

[2]宋樹杰.新課標高中物理（選修3-2）導與學（福建專版）[M].濟南：山東科學技術出版社，2012.