高中物理模型構建及其在解題中的應用

朱舉烈

(山東省青島市城陽區第一高級中學 266108)

物理作為高中教育階段的一門重要課程，具有許多抽象繁雜的知識原理，學習難度大.傳統教學方法只是一味強調學生進行概念與定律的死記硬背，未曾要求學生去真正理解知識內容，因而使得學生對物理知識的理解較淺，無法做到靈活運用.模型構建是新課改實施以來的一種新型教學方法，高中物理的研究對象、研究過程均可看作是理想化的物理模型，包括平拋運動、圓周運動及勻強磁場等.教師可引導學生在分析與解答一些題目時通過構建相應模型，提取出關鍵信息，抓住問題本質，實現問題的有效解答.

一、物理模型構建方法

1.觀察與實驗

對自然現象加以認識的重要方法便是觀察與實驗，強調學生主動學習知識的過程，通過讓學生觀察與實驗，可在提升學生思維能力與動手能力的同時，引導其做到定量、定性各種現象，并對研究對象進行明確.在觀察與實驗期間，學生要認識與注意到研究對象及其他物體間的變化、聯系與區別，進行其中主體的抽象，構建出清晰明了的時空情境，構建合理的物理模型，從而推動物理教學活動的順利開展.

2.分析與綜合

在構建模型過程中，“分析”具體指由整體到局面，從面帶點的思維方式，需要在考慮問題時將分解成不同的部分；而“綜合”恰巧與之相反，體現了一種由局部到整體的思維方式，就是將不同的對象個體通過整合而形成一個完整的個體.同時學生的建模能力是基于“抽象”而言的，而“抽象”就是指對同類事物的本質特征的總結，核心在于抓住問題本質.當在處理具體的物理問題時，需要教師引導學生展開分析與綜合，做到由易到難、由表及里，從而構建合適的模型.

3.類比與聯想

“類比”指當物理問題研究對象或物理過程十分相似時，假設其結論、規律也具有相似性的一種思維模式.當采用類比法解答物理題目時，便可利用熟悉的物理過程或是對象對陌生的物理過程或對象進行替代.“聯想”要求在類比的基礎上還應進行相關物理知識的聯系，思考與之相關的物理知識及相應的物理變化過程，使問題解決方向更為明確，從而建立相應模型.

二、高中物理模型在解題中的應用

1.構建行星模型

行星運動屬圓周運動范疇，為當中的典型代表，近年來在高考中的考察頻率越來越高.為幫助學生更為準確且快速的解答題目，教師應當引導其構建行星模型.學生能否正確構建行星模型的關鍵點，便是學生是否實現了萬有引力公式、開普勒第三定律等相關內容的熟練掌握，接下來再結合具體題目情景求解.

例1 月亮環繞地球運動的軌道半徑約為地球半徑的60倍，其運行周期約為27天，現應用開普勒定律計算：在赤道平面內離地面多高時，人造地球衛星可隨地球一起轉動，就像其停止在空中一樣？若兩顆人造衛星繞地球做圓周運動，周期之比為1∶8，則他們軌道半徑是多少？(已知地球半徑為6400km)

分析該題目主要考察的是開普勒第三定律的應用，首先需要學生對題目所描述的場景做到深刻理解，接下來在進行模型的構建時，我們可知月亮和地球同步衛星都是地球的衛星，設地球半徑為R，周期T=24h，進而再根據開普勒第三定律構建解題模型：

(R月/R同)3=(T月/T同)2

[60r/(r+h)]3=(27/1)2=(33)2=(32)3

[60r/(r+h)]3=93

60r/r+h=9

h=51r/9=51×6400km/9≈36266.6km

2.構建磁偏轉模型

在電磁復合場偏轉運動相關知識的考查當中，微粒屬于重要考察內容，在高考試卷的選擇題與綜合題中均有涉及.該類題目難度較大，要求學生應具有較高的綜合素質，并且教師在構建模型過程中也需要面對較多復雜的情況.在構建磁偏轉模型的過程中，教師要幫助學生全面分析題目情景，同時遵循具體的建構步驟來指導學生來順利完成模型的構建.

圖1

圖2

分析通過分析題目，我們可知帶電粒子都是以垂直的狀態進入到勻強磁場中的，即將要做圓周運動.接下來就是模型的構建，需要教師幫助學生確定圓心，畫出粒子的運動軌跡，這是做這一類題的關鍵.在畫粒子運動軌跡的過程中，我們發現因為存在眾多由不同方向而射入的粒子，且入射速度相同，所以圓周運動半徑也相等.而只要將當中典型的、特殊的幾個沿不同方向運動的粒子的運動軌跡畫出來，再通過觀察，便可得出全部圓周的覆蓋區域，就是該題的答案(如圖2).在圖中我們可看到在區域的邊緣左方是圓心為O、半徑為以2R的圓，右方是粒子從O點沿MN方向射入的具體軌跡.故選A.

3.構建彈簧模型

對于高中生來講，有關彈簧的物理題目十分常見.但就實際情況來看，仍有一些學生無法全面掌握彈簧形變的相關內容，表現為對物體的受力方向、彈簧的受力大小等知識點的判斷失準.對此，在幫助學生解答彈簧類型的物理題目時，教師便應進行彈簧模型的構建，引導學生對彈簧的受力過程進行分析.

例3 如圖3，輕彈簧下端固定在水平桌面上，上端放有物塊P，系統處于靜止狀態.現用一豎直向上的力F作用在P上，使其向上做勻加速直線運動，以x軸表示P離開靜止的位移，在彈簧恢復原長前，下列表示F和x之間的關系圖像可能正確的是( ).

圖3

總的來說，隨著素質教育與新高考改革的不斷深入，高中物理教學面臨新的發展機遇與挑戰.在新的教育背景下，高中物理教師應當積極運用構建物理模型的方法，引導學生結合具體的題目來進行模型的構建，幫助學生分析題目情景，并明確題目中的主次要素，最終擁有清晰的解題思路.同時教師也應適當引入一些高考真題，增強學生的解題體驗，使其進一步了解解題的過程，逐漸掌握物理模型精髓，逐漸提升其物理學科核心素養.最后，學生也要加強學生模型構建能力的培養，使其可自主解決一些物理問題，實現對物理知識的有效運用.