模型法在高中物理解題中的應用

吳素香

摘 要：在高中階段的教學中，物理學科是一門抽象學科，學生學習難度比較大，特別是物理解題中，需要學生掌握有效的解題方式。在實際的物理解題中，題目類型千變萬化，非常復雜，從本質上來說，是根據一定的物理模型設計的。模型法作為一種有效的解題方式，即對題目本質進行分析，結合其模型進行解題。借助模型法解題，降低物理習題解答難度，實現物理知識和模型的結合，保證學生課堂學習效果。本文就模型法在高中物理解題中的應用進行研究。

關鍵詞：模型法;高中物理解題;原則;類型;應用策略

模型法就是根據題目中的條件，將一些表面的和次要條件進行忽略，將復雜的物理現象，通過簡單的、理想化模型代替，對問題進行思考和解答。在高中物理解題中，利用模型法，明確解題思路，是解題中的關鍵一步。在高中物理解題中，通過構建模型，降低題目解答難度，讓學生利用所學知識進行思考和解答，提高學生解題效果和質量。

一、高中物理解題中模型構建的原則

在高中物理中，模型構建是將抽象知識內容形象化，降低知識理解難度。借助模型構建，強化學生空間想象能力，因此，在模型構建時，應當遵循相應的原則，完成問題的思考和解答。第一，模型構建時應當突出主要問題。在解題中，模型構建的主要目的是解答，應當將基本知識轉化成模型，借助模型展示問題。在模型構建過程中，需要對干擾因素進行分析，找出其中的關鍵詞，實現物理問題的簡化。第二，模型的客觀存在性原則。物理學科是一門理科學科，具有嚴謹性的特點，在模型構建時，將模型和知識依附于問題，避免出現主觀臆測的情況，使得模型不能夠發揮其解題作用，出現模型不準確的情況。第三，科學化原則。模型構建過程的本質是科學實踐過程，在構建模型時，應當遵循科學原則，不能夠為了降低理解難度，忽視其客觀理論。

二、高中物理解題中模型類型分析

（一）實體模型。實體模型是高中物理教學中常見的模型，如：力學中的質點、杠桿、輕質彈簧、單擺等;熱學中的彈性球分子模型、理想氣體等;電學中的試驗電荷、理想導體、絕緣體等;光學中的薄透鏡、原子的核式結構模型等。在此種模型用于高中物理解題時，應當緊抓事物主要因素，構建相應的實物模型，完成物理問題的有效解答。如圖1所示，在水平位置上放置四個完全相同的彈簧，在其右端的拉力為F，左端的情況不同;①中彈簧左端在墻上固定;②中彈簧左端受到大小為F的拉力作用;③中彈簧左端系一物塊，且在光滑桌面滑動;④中彈簧系一物塊，在有摩擦的桌面滑動。如果彈簧質量是零，那么四個彈簧伸長量比較中，有（ ）

在此題目中，彈簧是研究對象，并且假設彈簧質量是零，那么彈簧屬于理想性實物模型。在彈簧右端都存在拉力F，那么彈簧上任意一點都受到拉力F的作用，和右端是否存在接觸物無關。根據牛頓第三定律的本質，對研究對象進行明確劃分，因為彈簧質量是零，那么彈簧受到的合力是零。根據作用力和反作用力知識，四種情況中彈簧的力都是F，其彈簧伸長長度相同，因此，選項D正確。

（二）過程模型。過程模型主要是指具體物理過程理想化抽象出來的物理過程。自然界中事物的變化非常復雜，物理學研究時，并不能做到面面俱到。因此，需要分清主次，忽略其次要因素，結合主要因素構建理想模型，如勻速直線運動、勻變速直線運動、勻速圓周運動、自由落體運動、恒定電流等，通過突出其主要特征，忽略次要過程，抽象出理想過程。例題：如圖2所示，將物體B和物體C通過勁度系數為K的輕彈簧連接，將它們豎直靜止放置在水平地面，物體A從物體B正上方H0處靜止釋放，下落之后和物體B碰撞，加入三個物體質量都是M，重力加速度為g，忽略物體自身高度和空氣阻力。1.求解A與B碰撞之后的瞬間速度;2.當A和B運動到最大速度時，求解C對地面的壓力;3.開始時，A距離B多高時，可以在之后的運動中讓C恰好離開地面。

在問題1的解答中，假設A碰撞B之前的速度是V1，在下落過程中，根據機械能守恒定律，計算出V1。假設碰撞之后的速度是v2，根據動量守恒定律，計算出v2。問題2的解答中，當A、B達到最大速度，A、B受到的合外力是零，假設彈力是F，A、B受力平衡，計算出F=2Mg，假設地面對C的支撐力是FN，因為彈簧兩端彈力大小一樣，因此，彈簧對C的作用力是F，所以FN=F+Mg=3Mg，根據牛頓第三定律得出C對地面的壓力是3Mg。問題3解答時，假設A距離B的高度是H，根據機械能守恒定律和動量守恒定理，接觸A、B膨脹之后的速度。結合彈簧伸長量進行計算，求解出高度H。在此題解答時需要對AB整體運動進行運動模型構建，完成問題思考和解答。

（三）試題模型。在高中物理解題中，題目分析本質上來說是尋找知識點之間的聯系，題目可以存在很多變化，但是，聯系形式是有限的，通過對聯系形式進行歸納和整理，構建相應的試題模型，不同的試題模型有其特點和解決方式。如牛頓運動定律的應用中，題目類型中有已知運動情況對受力情況進行分析，或者是已知受力情況對運動情況進行分析，雖然題目有很多變化，可以對其運動情況進行定性分析，總結成相應的題型。

例題：在矩形abcd的線框中，其面積是s，通有電流I，并且一個磁感應強度為B的勻強磁場穿過，假設磁感應強度B和線框邊呈60°夾角。求解矩形邊框受到的安培力。

在解題時，需要根據題目內容，對題目條件進行分析，構建相應的磁場模型，判斷屬于安培力模型或是洛倫茲力模型。根據兩種磁場模型的特點，深入分析。通過分析安培力產生條件，根據所學知識內容，邊框上下沒有安培力的作用，那么之后左右兩邊受到相同安培力的作用，結合安培力計算公式，完成相應的計算。在解題中，此種類型題目是常見的題目，常常會由于分析遺漏出現錯誤。因此，在分析時，應當認真細致，考慮全面，完成物理問題的思考和解答。

三、模型法在高中物理解題中的應用策略

（一）構建抽象模型，化繁為簡。物理和生活密切相關，在新課程改革理念下，注重物理向生活回歸，也是新高考制度的體現。以教材內容作為基礎，注重知識和能力融合，引入一些生活化的題目，常常利用生活中常見的事物，進行物理題目設計。在解題過程中，需要將其進行抽象還原，構建理想化的物理模型，如盤山公路可以看作是斜面，自行車是輪軸，自動裝卸則是杠桿等。例題：某個小學生的質量是30kg，在玩秋千時，秋千距離橫梁2.5米，小學生父親從秋千最低點拉起1.25米高，之后從靜止進行釋放，小學生沿圓弧運動到最低點，求解小學生對秋千板的壓力。在此題解答時，需要對秋千進行合理簡化，構建具有一定約束條件的物理模型，將小學生看作質點，將秋千運動看作非勻速圓周運動，尋找問題解答關鍵點，快速有效完成解題。

（二）構建類比模型，化難為易。在高中物理解題中，有些物理題目看似非常困難，需要構建非常復雜的模型，其實這些模型是以以往模型作為基礎進行發展變化的，引導學生利用對比和聯想的方式，尋找物理知識和題目信息的聯系點，將復雜的物理問題進行轉化，借助有效的、理想的物理模型進行思考解題，將新問題借助熟悉的模型進行解決，提高學生物理解題能力。例題：根據天文學家的觀察研究，銀河系中有可能存在一定非常大的“黑洞”，距離“黑洞”60億千米的星體以2000km/s的速度圍繞“黑洞”旋轉，接近“黑洞”的物質，計算速度和光速相同，也依然會被引力作用吸引，嘗試計算出“黑洞”的最大半徑。

在高中物理教學中，并沒有針對“黑洞”的相關講解，是一個新的難題，根據題目中的信息，星體圍繞“黑洞”旋轉，那么星體圍繞“黑洞”做圓周運動，其向心力源自于萬有引力，根據萬有引力的相關定律，可以得出“黑洞”屬于有質量的天體。假設“黑洞”和星體的質量分別是M和m，兩者之間的距離是R，根據萬有引力定律和向心力公式，可以得出GM=v2r，在題目中還有這樣的信息，等于光速的物體逃脫不了“黑洞”的引力范圍。根據這樣的信息進行假設，假設速度和光速相同的物體恰好沒有被吸入，結合近地衛星繞地球做圓周運動，通過類比模型構建，可以計算出GM=c2r，可以得出r=2.7×108m。在高中物理解題中，注重學生創新能力培養，引入類比模型解題，將陌生題目通過熟悉模型解答，保證解題效率。

（三）構建數學模型，化此為彼。物理模型和客觀事物具有一定的類似性，對客觀事物進行同等數量的描寫，借助物理對象構建相應的數學模型。在實際的高中物理解題中，將物理模型和數學模型結合，實現物理問題向數學問題的轉化，利用數學方法進行推理和計算，之后還原成物理結論。在高中物理解題中，對于一些復雜的習題，可以巧妙利用數學方法，提高學生解題效率。例題：有三顆星體構成的系統，忽略其他星體的作用，存在一種運動形式，三顆星體在相互的萬有引力作用下，分別位于等邊三角形的三個頂點上，繞著共同的圓心，在三角形所在平臺做角速度相同的圓周運動，如圖3所示。如果A星體質量是2m，B、C兩個星體的質量均是m，三角形邊長是a，1.求解A、B兩個星體受到的合力FA和FB。2.求解C星體的軌道半徑，以及三星體做圓周運動的周期。在解題時，可以構建相應的幾何圖形，利用三角函數的余弦定理，解決物理力的問題，借助三角形相似原理，分析物理數據關系。通過數學思維思考和解決物理問題，將數學和物理聯系在一起，利用模型法思考和解答問題，提高課堂教學效果。

結束語

物理學科是一門邏輯性強的自然科學，如果僅僅依靠重復訓練或者生搬硬套的方式，不利于學生解題能力的培養，難以提高學生知識的應用能力。模型法作為一種有效的解題方式，在高中物理解題中應用，能夠幫助學生分析題目信息，明確解題思路，尋找問題突破點。作為高中學生，需要掌握模型法在解題中的應用技巧，做到靈活使用，培養學生創新思維。在實際的高中物理解題教學中，教師需要讓學生了解模型構建的類型，引導學生掌握多種模型法應用方法，保證學生解題能力得到進一步提升。

參考文獻

[1]黃璟.例談建模方法在高中物理解題中的應用[J].數理化解題研究：高中版，2017.

[2]劉曉琳.例析高中物理解題中的理想模型法[J].中學生數理化：學習研版，2017（2）：66.

[3]周渝杰.模型法在中學物理解題中的應用[J].科學家，2017，5（22）：74-76.