高中物理模型的構建探究

謝曉丹

[摘要]在高中物理教學中，構建物理模型是一種高效的教學方法。構建物理模型就是排除實際物理問題中非本質因素的影響，抓住實際物理問題的主要因素，舍棄次要因素，突出反映實際物理問題的本質特征，從而使實際物理問題得到簡化和理想化的過程。它對高中學生掌握物理知識、培養學科素養、解決物理問題、減輕學生學業負擔、培養學生各方面能力起到非常重要的作用。本文結合自己的高中教學實踐從物理教學中常見的三類物理模型、構建物理模型在教學中的重要作用和舉例說明物理模型的構建三個方面進行闡述，從理論上和實踐上對高中物理模型的構建提出了自己的看法。

[關鍵詞]物理模型;構建物理模型;物理教學;物理問題;理想化

高中物理是研究物質基本規律的一門基礎學科。如果離開了對物質最基本規律的研究，就不可能對復雜的物理現象做進一步的研究，所以把復雜的物理現象進行科學、抽象的簡單化和理想化處理的過程，就是構建物理模型。利用構建物理模型的方法可以排除實際物理問題中非本質因素的影響，抓住實際物理問題的主要因素，舍棄其次要因素，從而使實際物理問題的對象、條件和過程得到簡單化和理想化，從而突出反映實際物理問題的本質特征，使實際物理問題更方便研究和解決。在教學中對物理模型的構建會不斷啟發、拓展和提高學生運用所學物理知識解決實際物理問題的能力和興趣，當學生在解決實際物理問題時，就會自然而然的想到物理中的相應模型，從而感到物理學與生活是緊密相連的，最終激發學生學習物理知識的求知欲望，進而產生思考并最終解決物理問題。因此，構建物理模型教學方法在培養學生的學科素養、探究能力、解決實際物理問題的能力方面發揮著重要的作用。

第一、物理教學中常見的三類物理模型

1.對象模型：忽略對象實體的次要因素，用來代替對象實體的理想化模型，如質點、彈簧振子、點電荷、理想氣體等。

2.條件模型：排除物體外部條件的次要影響，把研究對象的外部條件理想化的模型，如光滑表面、均勻介質、絕熱容器、勻強電場、勻強磁場等。

3.過程模型：忽略物體在運動過程中的次要因素，將物理過程理想化的物理模型，如勻速直線運動、自由落體運動、簡諧運動、平拋運動、彈性碰撞、穩恒電流、等溫變化等。

第二、構建物理模型在教學中的重要作用

1.構建物理模型是培養和提高學科素養的方式

構建物理模型活動本身就是一項創造性的思維活動，它可以培養學生的自主學習、自主探究、分析與綜合、比較、抽象和概括、類比、推理等能力，這些能力正是學科素養所體現的素養。在高中物理教學中構建物理模型的意識與培養學生的學科素養是相輔相成、密不可分的。要真正培養學生的物理學科素養，教師的一言堂的傳統教學模式要進行改革，把構建物理模型教學方法與培養學生學科素養的新教學理念進行深度的融合，通過“自主學習”和“探究性學習”的課堂教學模式，充分挖掘學生的主動參與和創造性的思維活動的潛力，讓學生在構建物理模型的過程中同時也培養和提高學生的學科素養。

2.準確地構建物理模型是解決物理問題的關鍵

在高中物理教學實踐中，高中學生普遍認為高中的物理比較難學，課堂上老師所講的物理知識，絕大多數學生基本能聽懂，筆記也做得很詳細，但在考試和習題中解決物理問題時，思路不是很清晰，覺得無從下手。究其原因，大多數學生在處理物理問題時，不能把題目中所考查的物理模型與所學知識和掌握的模型進行遷移或遷移不準確，也就是說不能準確地構建相應的物理模型，最終導致物理問題不能處理或處理不當，所以準確地構建物理模型對解決物理實際問題起到關鍵性的作用。

3.構建物理模型方式有利于減輕學生的學業負擔

由于升學壓力，現在的老師和學生都在搞題海戰術，這情況讓老師和學生在身體上和心理上感到很疲憊，有少部分學生在這種壓力下產生了厭學的念頭。雖然這種做大量物理習題的情況很普遍，但細心的學生和老師可以發現班上有一小部分學生在學習物理知識和考試時很輕松，在課堂上認真聽課，按時完成老師布置的適量作業，所做物理課外習題也不多，但考試成績依然很好。對于這種付出很多但學習效果不理想的學生，應該考慮學生學習物理的方法是否正確，是否高效。其實這類輕松學習物理的學生在看到物理題目時，大部分題目都已經知道所考物理模型和相應模型的物理規律，他們所用的知識也是大家平時所學的知識，沒有特別的地方，只是比別人在構建物理模型時很敏捷，很快速，也準確，并能靈活的提取、應用、置換、遷移物理模型，所以就能在各種考試中拿高分，但這類學生并沒做大量習題，只是做適量的各類典型題目，總結各類題型的解題方法和思路，最終達到舉一反三的效果。因此，在理解物理概念和物理規律的基礎上，要善于尋找所掌握的物理模型來解決實際物理問題，只有這樣做，才能輕松地學習物理知識并快速、準確解決物理問題，才能真正地減輕學生的學業負擔。

第三、舉例說明物理模型的構建

1.質點模型（對象模型）、勻速直線運動模型和勻變速直線運動模型（過程模型）

[例1]汽車在高速公路行駛時，為了行車安全，汽車之間應保持一定的距離。在某段高速公路行駛的最大速度為108 km/h，如果前方的汽車突然停止，后面的汽車駕駛員從發現這一情況開始剎車，其反應時間為0.5s，剎車時汽車所受的阻力為其重力的0.5倍。求：汽車行駛在這段高速公路上的安全距離至少為多少米？（取g=10m/s²）構建物理模型的過程：

（1）畫運動草圖：

（2）構建模型：

構建模型一：汽車（質點模型）在反應時間內做勻速直線運動，則可以用勻速直線運動模型規律進行解決。

構建模型二：汽車以某一速度剎車做減速運動，這一情景通過理想化后汽車是做勻減速直線運動，則可以用勻減速直線運動規律進行解決（由于這一過程是動力學問題，所以用牛頓第二定律和運動學規律聯合進行解決）。

（3）解題過程：

2.自由落體運動模型、豎直上拋運動模型（過程模型）

[例2]某跳水運動員從10m高的跳臺上跳起，伸直雙臂時其重心位于手到腳全長的中點，跳起后其重心升高0.45 m達到最高點，落水時手先進入水面（忽略運動員水平方向的運動且身體始終保持豎直）。求運動員從離開跳臺到手指接觸水面過程中所用的時間。（g取10 m/s²，結果保留三位有效數字）

構建物理模型的過程：

（1）畫運動草圖：

（2）構建模型：

把運動員看作質點，質點做豎直上拋運動過程中，可分為兩個階段：上升階段的運動模型為勻減速直線運動，下降階段的運動模型為自由落體運動，分別求出各段的運動時間，兩段時間之合為運動員在整個過程中所用的時間;此題也可以用整體處理，整個過程的初速度向上，加速度向下，全程可用勻減速直線運動規律進行解題。

（3）解題過程：

3.帶電粒子在磁場運動模型（條件模型）

[例3]如圖所示，在坐標區域y<0范圍內存在垂直于紙面向里的勻強磁場，該區域磁場的磁感應強度為B，一帶負電粒子的電量為q、質量為m，與x軸正方向的夾角為θ（單位為弧度）的速度v。從圓心O點垂直射入磁場（忽略粒子重力的影響），求：

（1）該粒子射出磁的位置：

（2）該粒子在磁場運動的時間。

構建物理模型的過程

（1）畫運動草圖：

（2）構建模型：

當帶電粒子所受的重力忽略不計和磁場為勻強磁場，是把物體所處的條件進行理想化，在這種理想的情況下帶電粒子在僅受洛倫茲力的作用下做勻速圓周運動，則可構建勻速圓周運動模型。

①在結合三角形的幾何關系可求出OA的長度，從而可得射出點A的坐標;

②再結合勻速圓周運動的周期公式和圓弧對應的圓心角可求出粒子運動的時間。

從以上三個實例得出構建物理模型的基本思路：首先從物理的實際問題出發，通過審題，初步形成簡化后的物理情景，再根據物理情景畫出運動草圖或受力分析圖（這一步對構建物理模型起到很重要作用），然后根據所學的物理知識和已掌握的物理模型進行比對和全方位的思考從而構建出相應的物理模型，再一步一步地展開書寫過程和不斷思考和檢驗模型的準確性，如在展開的過程中出現模型構建不準確應加以修正，最后正確地寫出解題的全過程。

總之，在高中物理教學中，對實際物理問題進行分析和處理時，都離不開對物理問題進行構建物理模型。在物理教學實踐中，應不斷培養學生構建物理模型的思維，培養學生對復雜的物理問題能夠進行理想化處理的能力，正確運用科學、抽象的思維方法去處理實際物理問題，從而培養學生解決實際物理問題的思維和能力，不斷提高學生的學科素養。所以構建物理模型在高中物理教學中具有重要地位和意義。