關鍵能力視角下的物理模型建構

摘 要：物理模型建構是引領學生深入物理世界，增強其創新思維的關鍵路徑.文章從核心能力的視角出發，對物理模型建構的教學實踐進行了深入挖掘.通過超重和失重模型、平面圓周運動模型案例，詳細探討了如何在多樣化的物理情境中巧妙運用物理知識，高效實施模型建構活動.旨在為教師提供基于關鍵能力視角進行物理模型建構的實踐指導，促進學生物理學習的成效提升和創新思維能力的發展.

關鍵詞：建構物理模型；物理能力；例題

中圖分類號：G632"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1008-0333（2024）21-0097-03

在物理學中，模型建構是一種重要的研究方法.通過構建物理模型，我們可以更深入地理解物理現象的本質和規律.在關鍵能力的視角下，物理模型的建構不僅要求我們具備扎實的物理基礎知識，還需要我們具備一系列關鍵能力，如分析問題的能力、抽象思維的能力、創新思維的能力等[1].這些關鍵能力共同作用于物理模型的建構過程，使我們能夠更好地理解和描述物理世界，這對于學生的全面發展具有積極的影響[2].

1 建立物理模型步驟（如圖1）

2 關鍵能力與超重、失重模型

2.1 關鍵能力與超重、失重模型的構建

2.1.1 理解基本概念和原理的能力

（1）理解重力、支持力、拉力以及加速度等基本概念，知道它們之間的關系和相互影響.

（2）理解牛頓第二定律（F=ma），知道力和加速度之間的關系，并能應用到超重和失重的情境中.

2.1.2 分析受力情況的能力

（1）能夠正確分析物體在超重或失重狀態下的受力情況，包括重力、支持力（或拉力）以及其他可能存在的力.

（2）能夠理解這些力是如何影響物體的加速度的.

2.1.3 建立數學模型的能力

（1）能夠根據受力情況和牛頓第二定律建立物體的運動方程，將物理問題轉化為數學問題.

（2）能夠運用代數和微積分等數學知識解運動方程，得出物體的加速度、速度、位移等物理量的表達式.

2.1.4 運用實驗驗證的能力

（1）能夠設計并實施實驗來驗證所建立的超重、失重模型的正確性.

（2）能夠正確地解讀實驗數據，將其與理論預測進行比較，從而評估模型的準確性.

2.1.5 邏輯推理和問題解決能力

（1）能夠運用邏輯推理分析物理現象，理解超重和失重的本質和影響因素.

（2）能夠運用所學知識和技能解決實際問題，如構建能夠描述物體在超重和失重狀態下運動的模型.

2.1.6 抽象思維和創新能力

（1）能夠將具體的超重和失重現象抽象為一般性的物理模型，把握其內在規律.

（2）能夠在已有知識的基礎上進行創新性的思考和探索，如改進模型或提出新的理論解釋.

綜上所述，構建超重、失重模型時，主要運用了理解基本概念和原理、分析受力情況、建立數學模型、運用實驗驗證、邏輯推理和問題解決以及抽象思維和創新能力等物理能力.這些能力的綜合運用對于物理學的學習和實踐都非常重要[3].

2.2 失重和超重模型例題分析

超重與失重模型在各個領域有著廣泛的應用，例如航天器、深海探測、乘坐電梯、飛機起飛與降落、過山車運動和物體在沿斜面加速上升或減速下降等.

例題 我國全海深潛載人潛水器“奮斗者”號的最大作業深度達到10 909米.在某次深潛中，潛水器向下做直線運動，先做加速度減小的加速下潛，后維持勻速下潛一段時間，最后再減速至靜止.下列說法正確的是（" ）.

A．加速下潛階段，潛水器中的潛航員處于失重狀態

B．潛水器的加速度減為0時，潛水器中的潛航員處于超重狀態

C．潛水器在加速下潛時的加速度方向與速度方向可能相反

D．潛水器的速度變化量方向可能與加速度方向相反

解析 加速下潛階段，加速度豎直向下，所以潛水器中的潛航員處于失重狀態，故A正確；潛水器的加速度減為0時，潛水器的受力平衡，所以潛水器中的潛航員既不處于超重狀態也不處于失重狀態，故B錯誤；潛水器在加速下潛時，加速度方向和速度方向相同，都是豎直向下，故C錯誤；速度變化量方向一定與加速度方向相同，故D錯誤.故選A.

如果潛水器加速下潛，潛航員會感受到失重狀態，因為此時加速度方向向下，與重力方向一致.相反，如果潛水器加速上浮，潛航員會感受到重狀態，因為此時加速度方向向上，與重力方向相反.

3 關鍵能力與平面圓周運動模型

3.1 關鍵能力與平面圓周運動模型的構建

在構建平面圓周運動模型時，運用了以下幾種物理能力.

3.1.1 理解力學原理

構建平面圓周運動模型首先需要深入理解力學原理，特別是牛頓運動定律和向心力.這些原理為模型提供了基本的動力學基礎，解釋了物體為何能夠沿圓周運動，以及影響這種運動的各種因素.

3.1.2 應用數學工具

物理建模常常需要運用數學工具，如代數、微積分和三角函數等.在平面圓周運動中，這些工具用于建立和解決描述物體運動軌跡、速度和加速度的方程.

3.1.3 分析運動參數

在構建模型時，需要確定運動參數，如物體的質量、速度、半徑等.這些參數將直接影響物體的圓周運動行為，可以根據實際問題或實驗數據來確定這些參數.

3.1.4 考慮約束條件

在構建模型時，還需要考慮物體的約束條件，如物體的連接方式、摩擦力、空氣阻力等.這些約束條件對物體的運動狀態有著重要影響，必須在建模時予以考慮.

3.1.5 建立模型

將物理原理、運動參數和約束條件結合起來，建立一個描述平面圓周運動的數學模型.使用適當的物理公式和方程，例如，向心力公式建立方程來描述平面圓周運動，以便對物體的運動行為進行分析和預測.

3.1.6 進行實驗驗證

物理建模不僅僅是理論上的構建，還需要通過實驗驗證模型的正確性.要求具備實驗設計和數據分析能力，以便收集數據并與模型預測進行比較.

3.1.7 抽象思維能力

構建模型需要將復雜的物理現象抽象為簡單的數學模型.要求具備抽象思維能力，能夠從復雜的實際情況中提煉出關鍵要素，并建立起簡潔有效的模型.

3.1.8 解決問題的能力

構建模型的過程本質上是一個解決問題的過程.需要具備分析和解決問題的能力，以便在建模過程遇到難題時能夠找到有效的解決方案.

綜上所述，構建平面圓周運動模型需要綜合運用力學原理、數學工具、運動參數分析、約束條件考慮、實驗驗證、抽象思維以及解決問題的能力.這些物理能力共同構成了構建有效模型的基礎.

3.2 平面圓周運動模型例題分析

平面圓周運動在生活中的現象有很多，例如火車拐彎、汽車過凹凸橋、旋轉木馬、摩天輪、行星運動和陀螺等.通常涉及向心力的概念，這是物體做圓周運動時必須有一個指向圓心的力，用以改變物體速度的方向[4].

例題 旋轉木馬可以簡化為如圖2所示，a，b兩個小球分別用懸線懸于水平桿上的A，B兩點，A，B到O點距離之比為1∶2.裝置繞豎直桿勻速旋轉后，a，b在同一水平面內做勻速圓周運動，兩懸線與豎直方向的夾角分別為α、θ，則α、θ關系正確的是（" ）.

A．tanθ=2tanα"" "B．tanθ=2tanα

C．cosα=2cosθ"" "D．sinθ=2sinα

解析 設OA段長為L，OB段長為2 L，勻速旋轉小球到懸點的高度均為h，由于a，b兩球做圓周運動的角速度相同，且都滿足mgtanφ=mω2r，則有aaab=（L+htanα）ω2（2L+htanθ）ω2=gtanαgtanθ，解得tanθ=2tanα，故選B.

4 結束語

本文通過超重與失重模型、平面圓周運動模型例題的展示，旨在闡述物理建模是一種從物理視角出發，將實際問題抽象化、數學化的思維方式.關鍵物理能力在判斷超重失重物理模型和平面圓周運動模型中具有重要的作用.通過對物理模型的掌握和應用，學生可以更好地理解和掌握物理知識，提高解決實際問題的能力.因此，在物理教學中，教師應注重培養學生的物理建模能力，提供更多的實際問題，引導學生進行物理建模實踐，以促進學生綜合能力的全面發展.

參考文獻：［1］ 黃晶.基于核心素養的高中物理模型建構教學的理論與實踐［J］.物理教師，2020，41（7）：19-23.

［2］ 王紅霞.高中物理教學中的模型建構：以電磁學為例［J］.教育理論與實踐，2019，39（35）：58-60.

［3］ 陳怡.核心素養視角下高中物理模型建構的策略與實踐［J］. 中學物理教學參考，2021，50（21）：44-46.

［4］ 馬德林.物理模型建構在高中教學中的實踐與探索［J］. 物理教學探討，2020，38（10）：74-77.

［責任編輯：李 璟］