高中物理模型構(gòu)建及其在解題中的應(yīng)用

朱舉烈

(山東省青島市城陽區(qū)第一高級(jí)中學(xué) 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(shí)原理，學(xué)習(xí)難度大.傳統(tǒng)教學(xué)方法只是一味強(qiáng)調(diào)學(xué)生進(jìn)行概念與定律的死記硬背，未曾要求學(xué)生去真正理解知識(shí)內(nèi)容，因而使得學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解較淺，無法做到靈活運(yùn)用.模型構(gòu)建是新課改實(shí)施以來的一種新型教學(xué)方法，高中物理的研究對(duì)象、研究過程均可看作是理想化的物理模型，包括平拋運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)及勻強(qiáng)磁場(chǎng)等.教師可引導(dǎo)學(xué)生在分析與解答一些題目時(shí)通過構(gòu)建相應(yīng)模型，提取出關(guān)鍵信息，抓住問題本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)問題的有效解答.

一、物理模型構(gòu)建方法

1.觀察與實(shí)驗(yàn)

對(duì)自然現(xiàn)象加以認(rèn)識(shí)的重要方法便是觀察與實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)的過程，通過讓學(xué)生觀察與實(shí)驗(yàn)，可在提升學(xué)生思維能力與動(dòng)手能力的同時(shí)，引導(dǎo)其做到定量、定性各種現(xiàn)象，并對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行明確.在觀察與實(shí)驗(yàn)期間，學(xué)生要認(rèn)識(shí)與注意到研究對(duì)象及其他物體間的變化、聯(lián)系與區(qū)別，進(jìn)行其中主體的抽象，構(gòu)建出清晰明了的時(shí)空情境，構(gòu)建合理的物理模型，從而推動(dòng)物理教學(xué)活動(dòng)的順利開展.

2.分析與綜合

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

3.類比與聯(lián)想

“類比”指當(dāng)物理問題研究對(duì)象或物理過程十分相似時(shí)，假設(shè)其結(jié)論、規(guī)律也具有相似性的一種思維模式.當(dāng)采用類比法解答物理題目時(shí)，便可利用熟悉的物理過程或是對(duì)象對(duì)陌生的物理過程或?qū)ο筮M(jìn)行替代.“聯(lián)想”要求在類比的基礎(chǔ)上還應(yīng)進(jìn)行相關(guān)物理知識(shí)的聯(lián)系，思考與之相關(guān)的物理知識(shí)及相應(yīng)的物理變化過程，使問題解決方向更為明確，從而建立相應(yīng)模型.

二、高中物理模型在解題中的應(yīng)用

1.構(gòu)建行星模型

行星運(yùn)動(dòng)屬圓周運(yùn)動(dòng)范疇，為當(dāng)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(xué)生更為準(zhǔn)確且快速的解答題目，教師應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)其構(gòu)建行星模型.學(xué)生能否正確構(gòu)建行星模型的關(guān)鍵點(diǎn)，便是學(xué)生是否實(shí)現(xiàn)了萬有引力公式、開普勒第三定律等相關(guān)內(nèi)容的熟練掌握，接下來再結(jié)合具體題目情景求解.

例1 月亮環(huán)繞地球運(yùn)動(dòng)的軌道半徑約為地球半徑的60倍，其運(yùn)行周期約為27天，現(xiàn)應(yīng)用開普勒定律計(jì)算：在赤道平面內(nèi)離地面多高時(shí)，人造地球衛(wèi)星可隨地球一起轉(zhuǎn)動(dòng)，就像其停止在空中一樣？若兩顆人造衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，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(yīng)用，首先需要學(xué)生對(duì)題目所描述的場(chǎng)景做到深刻理解，接下來在進(jìn)行模型的構(gòu)建時(shí)，我們可知月亮和地球同步衛(wèi)星都是地球的衛(wèi)星，設(shè)地球半徑為R，周期T=24h，進(jìn)而再根據(jù)開普勒第三定律構(gòu)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(gòu)建磁偏轉(zhuǎn)模型

在電磁復(fù)合場(chǎng)偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相關(guān)知識(shí)的考查當(dāng)中，微粒屬于重要考察內(nèi)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(xué)生應(yīng)具有較高的綜合素質(zhì)，并且教師在構(gòu)建模型過程中也需要面對(duì)較多復(fù)雜的情況.在構(gòu)建磁偏轉(zhuǎn)模型的過程中，教師要幫助學(xué)生全面分析題目情景，同時(shí)遵循具體的建構(gòu)步驟來指導(dǎo)學(xué)生來順利完成模型的構(gòu)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(tài)進(jìn)入到勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的，即將要做圓周運(yùn)動(dòng).接下來就是模型的構(gòu)建，需要教師幫助學(xué)生確定圓心，畫出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，這是做這一類題的關(guān)鍵.在畫粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的過程中，我們發(fā)現(xiàn)因?yàn)榇嬖诒姸嘤刹煌较蚨淙氲牧Ｗ樱胰肷渌俣认嗤詧A周運(yùn)動(dòng)半徑也相等.而只要將當(dāng)中典型的、特殊的幾個(gè)沿不同方向運(yùn)動(dòng)的粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡畫出來，再通過觀察，便可得出全部圓周的覆蓋區(qū)域，就是該題的答案(如圖2).在圖中我們可看到在區(qū)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(diǎn)沿MN方向射入的具體軌跡.故選A.

3.構(gòu)建彈簧模型

對(duì)于高中生來講，有關(guān)彈簧的物理題目十分常見.但就實(shí)際情況來看，仍有一些學(xué)生無法全面掌握彈簧形變的相關(guān)內(nèi)容，表現(xiàn)為對(duì)物體的受力方向、彈簧的受力大小等知識(shí)點(diǎn)的判斷失準(zhǔn).對(duì)此，在幫助學(xué)生解答彈簧類型的物理題目時(shí)，教師便應(yīng)進(jìn)行彈簧模型的構(gòu)建，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)彈簧的受力過程進(jìn)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(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài).現(xiàn)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(yùn)動(dòng)，以x軸表示P離開靜止的位移，在彈簧恢復(fù)原長(zhǎng)前，下列表示F和x之間的關(guān)系圖像可能正確的是( ).

圖3

總的來說，隨著素質(zhì)教育與新高考改革的不斷深入，高中物理教學(xué)面臨新的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn).在新的教育背景下，高中物理教師應(yīng)當(dāng)積極運(yùn)用構(gòu)建物理模型的方法，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合具體的題目來進(jìn)行模型的構(gòu)建，幫助學(xué)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(shí)教師也應(yīng)適當(dāng)引入一些高考真題，增強(qiáng)學(xué)生的解題體驗(yàn)，使其進(jìn)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(xué)科核心素養(yǎng).最后，學(xué)生也要加強(qiáng)學(xué)生模型構(gòu)建能力的培養(yǎng)，使其可自主解決一些物理問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理知識(shí)的有效運(yùn)用.