物理建模在解決靜電場(chǎng)習(xí)題中的應(yīng)用

楊明

物理建模教學(xué)是物理教學(xué)中一種重要且不可缺少的方法，在靜電場(chǎng)的教學(xué)中，建模教學(xué)能夠幫助學(xué)生更好地思考問題、解決問題，形成一定的物理邏輯思維和解決實(shí)際問題的能力。高二的物理學(xué)習(xí)是學(xué)生高中學(xué)習(xí)的分水嶺，有的學(xué)生在高一的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)成績(jī)從此突飛猛進(jìn);有的學(xué)生雖然高一學(xué)習(xí)成績(jī)突出，但是到了高二就沒有了學(xué)習(xí)的勁頭。這在很大程度上是因?yàn)槲锢韺W(xué)科在高二階段進(jìn)入了電學(xué)的學(xué)習(xí)，與高一的力學(xué)相比有一定難度。既有力學(xué)的受力分析、圖像分析、能量分析，又綜合了抽象的電學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。我在教學(xué)中很大程度上依賴于幫助學(xué)生建立物理模型，形成一定的解題思路去解決問題。

一、物理建模

（一）物理模型

有關(guān)于物理模型的定義在不同環(huán)境中的含義不同。在本文指在教學(xué)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的一些有典型性特點(diǎn)的概念模型、邏輯模型。

（二）物理建模

物理建模在本文中是指在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中通過對(duì)物理模型的認(rèn)識(shí)，能夠在解決問題時(shí)形成對(duì)物理模型的辨識(shí)和應(yīng)用，在應(yīng)用過程中就形成對(duì)不同問題建立需要的物理模型的能力，即物理建模。

二、在靜電場(chǎng)中的物理模型

（一）概念模型

1.典型電荷電場(chǎng)模型。

例如點(diǎn)電荷形成的電場(chǎng)是最簡(jiǎn)單也是最常用的基本模型。對(duì)正點(diǎn)電荷和負(fù)點(diǎn)電荷形成的電場(chǎng)的認(rèn)識(shí)，有助于學(xué)生對(duì)電場(chǎng)線的特點(diǎn)、真空點(diǎn)電荷的場(chǎng)強(qiáng)的求法、場(chǎng)強(qiáng)的疊加等問題有形象、深入的理解。

2.電容器模型。

（1）電容器充放電的過程。這一過程是對(duì)電容器電荷量變化的理解，電荷量增加是充電過程，電荷量減少是放電過程，并理解電流的方向。

（2）電容器的兩個(gè)公式和動(dòng)態(tài)分析。電容器的兩個(gè)基本公式是比值定義式和決定式，并在此基礎(chǔ)上形成了對(duì)平行板電容器動(dòng)態(tài)分析的理解。

（二）邏輯模型

1.電勢(shì)、距離圖像和力、電荷量圖像。在高一時(shí)學(xué)生學(xué)習(xí)過位移——時(shí)間圖像、速度——時(shí)間圖像，在此基礎(chǔ)上學(xué)生認(rèn)識(shí)電勢(shì)、距離圖像和力、電荷量圖像，讓學(xué)生理解橫縱坐標(biāo)的含義，斜率的含義。通過對(duì)斜率的認(rèn)識(shí)，形成學(xué)生的解題思路，聯(lián)想熟悉的電場(chǎng)線模型。

2.加速電場(chǎng)、偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)模型。在加速電場(chǎng)中是學(xué)生對(duì)動(dòng)能定理的熟練應(yīng)用。在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中是學(xué)生對(duì)平拋問題的熟練應(yīng)用（類平拋問題）。

三、物理建模

在教學(xué)中的物理建模主要是指對(duì)已學(xué)的物理模型的應(yīng)用，和在已學(xué)模型的基礎(chǔ)上的發(fā)展應(yīng)用。

（一）概念模型的物理建模

以點(diǎn)電荷電場(chǎng)這種基本概念模型為例，在解題時(shí)，學(xué)生常會(huì)遇到非直接詢問點(diǎn)電荷電場(chǎng)中某點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)，而是幾個(gè)場(chǎng)源形成的電場(chǎng)中某點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)。這時(shí)，就要引導(dǎo)學(xué)生思考問題，“我們學(xué)習(xí)過哪個(gè)與此類似的問題？怎么解決的？”學(xué)生在思考解決方法的同時(shí)，也是建立自己的物理模型的過程。如下題：

如圖所示，在一條直線上有兩個(gè)相距0.4 m的點(diǎn)電荷A、B，A帶電荷量+Q，B帶電荷量-9Q，現(xiàn)引入第三個(gè)點(diǎn)電荷C，恰好使三個(gè)點(diǎn)電荷處于平衡狀態(tài)，問：C應(yīng)帶什么性質(zhì)的電荷？應(yīng)放于何處？所帶電荷量為多少？

這是一個(gè)電學(xué)和力學(xué)的綜合問題。如果學(xué)生一眼能夠看出是對(duì)將要放入其中的電荷受力分析求解的受力平衡問題，并利用真空點(diǎn)電荷的求解方法，就會(huì)很容易解題。這個(gè)解題過程就是一個(gè)對(duì)受力分析過程的邏輯模型和真空點(diǎn)電荷電場(chǎng)的概念模型的綜合，學(xué)生解決問題時(shí)就是一個(gè)物理建模的過程。

（二）邏輯模型的基本建模

在電學(xué)中關(guān)于電勢(shì)、電勢(shì)能的學(xué)習(xí)是一個(gè)難點(diǎn)，很多學(xué)生被它復(fù)雜凌亂的知識(shí)點(diǎn)和解題方法搞得無所適從。如果再將能的性質(zhì)與場(chǎng)強(qiáng)這個(gè)力的性質(zhì)結(jié)合在一起，就顯得更難了，但實(shí)際上在試卷中，如果把握好物理建模的思想，解決這部分的題并不是很難。

例如：圖中的實(shí)線表示電場(chǎng)線，虛線表示只受電場(chǎng)力作用的帶正電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，粒子先經(jīng)過M點(diǎn)，再經(jīng)過N點(diǎn)，可以判定（）。

A.M點(diǎn)的電勢(shì)大于N點(diǎn)的電勢(shì)

B.M點(diǎn)的電勢(shì)小于N點(diǎn)的電勢(shì)

C.粒子在M點(diǎn)受到的電場(chǎng)力大于在N點(diǎn)受到的電場(chǎng)力

D.粒子在M點(diǎn)受到的電場(chǎng)力小于在N點(diǎn)受到的電場(chǎng)力

這類問題，如果學(xué)生能夠通過審題明白題中的曲線軌跡是受力方向模型，電場(chǎng)線是電勢(shì)高低的模型應(yīng)用，那么這個(gè)力學(xué)與電學(xué)的綜合題就一下子突破了。如果題中問的稍復(fù)雜一些，考慮到能量守恒和做功，我們還可以引導(dǎo)學(xué)生思考動(dòng)能和電勢(shì)能的轉(zhuǎn)化問題。從這道題還可以明確電勢(shì)能高的地方場(chǎng)強(qiáng)不一定大，以及電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)的關(guān)系問題。學(xué)生熟悉一系列小的基本模型，那么在解題的時(shí)候能夠準(zhǔn)確識(shí)別或者建立模型，達(dá)到事半功倍的效果。

四、從高考題看物理建模的必要性

如果學(xué)生在學(xué)習(xí)物理學(xué)的過程中掌握了物理建模的思想，那么對(duì)解決高考題會(huì)有化繁為簡(jiǎn)的效果，有的題在思路上簡(jiǎn)化，有的是在解題方法上簡(jiǎn)化。

物理學(xué)是建立學(xué)生思維的學(xué)科，它的考題也是建立在考查學(xué)生思維的基礎(chǔ)上的。只有培養(yǎng)好學(xué)生的邏輯思維能力，尤其是識(shí)別、建立物理模型的能力，學(xué)生才能很好地建立起學(xué)習(xí)物理的自信和興趣。在不斷形成物理建模能力的同時(shí)，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)物理學(xué)科的“對(duì)稱美”“結(jié)構(gòu)美”，還能夠在復(fù)雜的問題中找到熟悉的內(nèi)容，達(dá)到復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化的目的，并且學(xué)生能夠在此過程中培養(yǎng)興趣與愛好，形成良好的思維能力。

五、結(jié)語

通過以上分析，我們發(fā)現(xiàn)如果學(xué)生能夠很好地熟悉物理學(xué)中的基本模型，并能夠形成物理建模這種解題思路，形成物理思維，對(duì)培養(yǎng)能力、發(fā)展興趣都有著重大的作用。我認(rèn)為物理學(xué)就是用物理的科學(xué)的語言去描述生活中的現(xiàn)象，用物理語言的描述要比用普通的生活語言更精確。學(xué)生如果形成了這種透過題目文字表述的現(xiàn)象，抓住題目包含的基本模型的本質(zhì)的能力，那么也必定會(huì)對(duì)其以后的生活產(chǎn)生重要的影響。可以說物理學(xué)是一門自然科學(xué)，它所包含的思想同樣適用于我們的生活，有助于我們對(duì)人文學(xué)科的認(rèn)識(shí)。

（責(zé)編 ?侯 芳）