高中物理解題中的模型構(gòu)建與應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-0333（2025）16-0100 -03

物理學(xué)是自然科學(xué)的重要基石，而物理模型的構(gòu)建及其應(yīng)用在理解和處理復(fù)雜物理問題中有關(guān)鍵作用.本研究結(jié)合高中物理教學(xué)實(shí)際情況，重點(diǎn)探討力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)模型的構(gòu)建策略與應(yīng)用方法借助模型化教學(xué)模式，可培育學(xué)生的科學(xué)思維與問題解決能力，進(jìn)而提升物理學(xué)科核心素養(yǎng).

1高中物理解題中常見模型

1. 1 物質(zhì)模型

（1）實(shí)體模型：在力學(xué)領(lǐng)域，質(zhì)點(diǎn)模型是通過忽略物體形態(tài)與尺寸，將其抽象為具有質(zhì)量的點(diǎn).電磁學(xué)中，點(diǎn)電荷模型適用于帶電體形態(tài)與尺寸對(duì)研究影響甚微的情形.平行板電容器模型是通過忽略邊緣效應(yīng)，凸顯電容與極板面積、間距的關(guān)聯(lián).密繞螺線管模型則忽略導(dǎo)線粗細(xì)，重點(diǎn)探究其磁場(chǎng)特性.理想氣體模型是在氣體性質(zhì)研究中，忽略分子大小及相互作用，突出壓強(qiáng)、體積、溫度等狀態(tài)參量的關(guān)系（2）場(chǎng)模型：勻強(qiáng)電場(chǎng)模型是通過忽略電場(chǎng)邊緣效應(yīng)與非均勻性，假定電場(chǎng)中各點(diǎn)強(qiáng)度與方向一致，便于電場(chǎng)力、電勢(shì)能等問題的分析.勻強(qiáng)磁場(chǎng)模型同樣簡(jiǎn)化邊緣與非均勻性，為帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)研究提供計(jì)算與分析的便利.（3）狀態(tài)模型：流體力學(xué)中，穩(wěn)恒流動(dòng)狀態(tài)模型是描述流體流動(dòng)時(shí)，流速、壓強(qiáng)等物理量不隨時(shí)間變化的情形.理想氣體的平衡態(tài)模型則指氣體溫度、壓強(qiáng)、體積等狀態(tài)參量保持恒定的狀態(tài).原子物理中，基態(tài)與激發(fā)態(tài)模型用于表征原子的不同能量狀態(tài)[1].

1. 2 過程模型

（1）運(yùn)動(dòng)過程模型：勻速直線運(yùn)動(dòng)模型描述了物體在直線路徑上以恒定速度移動(dòng)的情形，作為最基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)模式，它便于分析位移、速度和時(shí)間等物理量之間的關(guān)系.勻變速直線運(yùn)動(dòng)模型涉及物體在直線上以恒定加速度運(yùn)動(dòng)，涵蓋勻加速與勻減速兩種情形，是高中物理運(yùn)動(dòng)學(xué)的核心模型之一，自由落體即為其特例.勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型則描述了物體以恒定速率沿圓周運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，其特點(diǎn)在于向心力大小恒定且方向始終指向圓心，有助于深入探究向心力與向心加速度等概念.平拋運(yùn)動(dòng)模型結(jié)合了水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)與豎直方向的自由落體運(yùn)動(dòng)，作為一種典型的曲線運(yùn)動(dòng)模式，可通過運(yùn)動(dòng)的合成與分解方法進(jìn)行研究.（2）氣體狀態(tài)變化模型：等溫變化模型描述了理想氣體在溫度恒定條件下，壓強(qiáng)與體積之間的反比關(guān)系.等壓變化模型則反映了氣體在壓強(qiáng)不變時(shí)，體積與溫度之間的正比關(guān)系.等容變化模型則指氣體體積一定時(shí)，壓強(qiáng)與溫度的正比關(guān)系.絕熱變化模型則關(guān)注氣體與外界無熱量交換時(shí)的狀態(tài)演變.（3）物理量均勻變化模型：例如勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間均勻增減的情形，為電磁感應(yīng)等問題的研究提供了基礎(chǔ)[2].

2 高中物理解題中的模型構(gòu)建與應(yīng)用措施

2.1 依題析景，精準(zhǔn)提取物理要素構(gòu)建模型

現(xiàn)階段，教學(xué)范式已從單一的知識(shí)灌輸轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)調(diào)學(xué)生在復(fù)雜問題情境下自主識(shí)別關(guān)鍵物理要素并構(gòu)建模型的能力培養(yǎng).教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系生活實(shí)際、工業(yè)生產(chǎn)及科技進(jìn)步中的情境，深人探究其物理本質(zhì)，這與當(dāng)前“以素養(yǎng)為核心”的教育理念不謀而合.在教學(xué)實(shí)踐中，教師應(yīng)激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)“解析”題目，明確問題的已知條件與未知量，理清各物理參數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系，為模型構(gòu)建奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，從而加深學(xué)生對(duì)物理概念的理解，并提升其在多變題型中的靈活應(yīng)用能力[3.

例1（2023 年全國(guó)甲卷高考物理第18 題）有些放射性元素要經(jīng)歷一系列的衰變才能穩(wěn)定，關(guān)于X，Y，Z 三種放射性元素的衰變情況，已知 X 經(jīng)過一次 α 衰變和兩次 β 衰變后變?yōu)?Y，Y 再經(jīng)過一次 α 衰變后變?yōu)?Z. ，下列說法正確的是（ ）.

A. X 核比 Z 核多2個(gè)質(zhì)子 B. X 核比 Z 核多4個(gè)中子 C. X 核與 Z 核的核子數(shù)相同 D. X 核與 Z 核的質(zhì)子數(shù)相同

解題伊始，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生緊密依據(jù)題目細(xì)致解析情境，精準(zhǔn)無誤地提煉關(guān)鍵物理要素.題目中清晰給出元素衰變的先后次序，此即為核心情景信息其中， α 衰變表征著原子核向外釋放一個(gè)氮核（由2個(gè)質(zhì)子與2個(gè)中子共同構(gòu)成），這會(huì)致使質(zhì)子數(shù)縮減2個(gè)、中子數(shù)降低2個(gè)，核子數(shù)相應(yīng)減少4個(gè); β 衰變則是原子核內(nèi)一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子，同時(shí)向外釋放一個(gè)電子，促使質(zhì)子數(shù)增添1個(gè)，中子數(shù)削減1個(gè).待學(xué)生梳理明晰這些關(guān)鍵要素后，便能水到渠成地搭建起核衰變物理模型.具體解析從 X 到 Y 的衰變進(jìn)程，一次 α 衰變致使質(zhì)子數(shù)減少2個(gè)、中子數(shù)降低2個(gè)，而兩次 β 衰變又讓質(zhì)子數(shù)回升2個(gè)，綜合考量，質(zhì)子數(shù)維持不變，中子數(shù)減少2個(gè)；再看Y到 Z 的一次 α 衰變，會(huì)造成質(zhì)子數(shù)減少2個(gè)、中子數(shù)減少2個(gè).總體而言，從 X 到 Z ，質(zhì)子數(shù)總計(jì)減少2個(gè)，核子數(shù)減少4個(gè).由此，便能精準(zhǔn)判斷各選項(xiàng)正誤：A選項(xiàng)有誤， X 核實(shí)際比 Z 核多2個(gè)質(zhì)子;B選項(xiàng)正確， X 核確實(shí)比 Z 核多4個(gè)中子；C選項(xiàng)錯(cuò)誤，核子數(shù)并不相同;D選項(xiàng)錯(cuò)誤，質(zhì)子數(shù)存在差異.借由這道典型題目，學(xué)生得以熟練掌握剖析衰變情境、抓取核心要素、搭建模型予以解題的有效方法，以后遇到同類核物理情景時(shí)，便能觸類旁通、靈活應(yīng)對(duì).

2.2 巧用類比，遷移典型模型化解新題

在教學(xué)實(shí)踐中，當(dāng)教師引人新知識(shí)或?qū)W生面臨新題型時(shí)，尤其是在陌生情境下，直接處理往往導(dǎo)致理解與解題難度陡增.類比方法通過揭示已有典型模型與新問題之間的內(nèi)在聯(lián)系，利用學(xué)生已熟悉的模型作為認(rèn)知橋梁，將未知轉(zhuǎn)化為已知，有效減輕認(rèn)知負(fù)擔(dān)，幫助學(xué)生跨越思維壁壘，迅速觸及問題本質(zhì)，準(zhǔn)確把握物理原理，實(shí)現(xiàn)高效解題.

例2如圖1，在傾角為 θ 的光滑斜面上有兩個(gè)用輕質(zhì)彈簧相連的物塊A、B，它們的質(zhì)量分別為m_A，m_B ，彈簧勁度系數(shù)為 k，C 為一固定擋板.系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，現(xiàn)開始用一沿斜面向上的力 F 拉物塊A，使它以加速度 a 向上做勻加速運(yùn)動(dòng)，求從開始到物塊B剛要離開擋板C時(shí)，力 F 做的功.

此題初看似涉及斜面力學(xué)、彈簧特性及多體受力分析，頗為復(fù)雜.然而，通過類比思維，可將問題分解為“連接體受力分析”與“彈簧形變與做功”兩個(gè)經(jīng)典模型的組合.學(xué)生已熟練掌握連接體問題的隔離法與整體法分析，以及彈簧問題中的胡克定律與彈性勢(shì)能變化原理.面對(duì)此題，首先類比連接體模型，分別對(duì)A、B進(jìn)行受力分析，考慮A受到的拉力F 重力 m_Ag 及彈簧彈力，B受到的彈簧彈力與重力m_Bg ，依據(jù)牛頓第二定律建立方程組，求解彈簧形變量的變化.接著，類比彈簧做功模型，利用彈簧彈性勢(shì)能與形變量平方的關(guān)系，結(jié)合功能原理，計(jì)算出B即將離開擋板時(shí)系統(tǒng)機(jī)械能的增加量，即力 F 所做的功.通過此類比遷移策略，將復(fù)雜的斜面問題拆解為熟悉的模型，學(xué)生能迅速梳理思路，準(zhǔn)確構(gòu)建物理模型.

2.3 數(shù)形結(jié)合，借圖表勾勒物理模型輪廓

在高中物理的學(xué)習(xí)與解題實(shí)踐中，數(shù)形結(jié)合不是簡(jiǎn)單的圖形繪制，而是數(shù)字與圖形信息的深度整合，旨在深人挖掘物理本質(zhì).在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生面對(duì)僅憑文字與公式表述的物理難題時(shí)，抽象思考能力往往受限，難以清晰構(gòu)建物理情境[4].此時(shí)，引入圖表便能直觀展示數(shù)據(jù)規(guī)律及物理量間的關(guān)聯(lián).教師通過指導(dǎo)學(xué)生利用圖表整理?xiàng)l件，有助于他們識(shí)別核心要素，將抽象概念具體化，精確描繪物理模型框架，明確物理過程的時(shí)序與因果關(guān)系，為后續(xù)復(fù)雜的計(jì)算與推理奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，從而使解題思路清晰展現(xiàn)，有效突破思維障礙.

例3利用圖2所示裝置測(cè)量滑塊與木板間動(dòng)摩擦因數(shù)，木板水平固定，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器紙帶一端連滑塊，另一端穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，給滑塊初速度使其拖動(dòng)紙帶運(yùn)動(dòng)，打出一系列點(diǎn)，測(cè)出相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間距，已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣?g ，還給出滑塊質(zhì)量 m 等數(shù)據(jù)，求動(dòng)摩擦因數(shù).

該題乍看數(shù)據(jù)繁雜、物理過程動(dòng)態(tài)難尋.巧用數(shù)形結(jié)合之法，可先依據(jù)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶數(shù)據(jù)繪制 v-t 圖像，其中縱軸代表速度 v ，橫軸對(duì)應(yīng)時(shí)間Ω_t. 嚴(yán)格依照實(shí)驗(yàn)獲取的各計(jì)數(shù)點(diǎn)速度數(shù)值精準(zhǔn)定位描點(diǎn)，再順滑銜接各點(diǎn)繪成曲線.圖像斜率能直觀彰顯加速度 a ，鑒于滑塊僅受摩擦力作用，依據(jù)牛頓第二定律可得摩擦力 f=ma ，又因 f=μmg ，故可推導(dǎo)出 從繪制 v-t 圖這一基礎(chǔ)操作切入，雜亂無章的紙帶數(shù)據(jù)得以規(guī)整，物理模型瞬間明晰：滑塊做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，且受恒定摩擦力作用.憑借圖表精準(zhǔn)鎖定模型后，后續(xù)代入數(shù)據(jù)求解便順理成章.日常教學(xué)訓(xùn)練若多引導(dǎo)學(xué)生這般操作，遇到類似運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)題目時(shí)，學(xué)生便能主動(dòng)繪制關(guān)鍵物理量圖像，讓隱匿的物理模型借圖表“顯形”，解題難度自然大幅降低.

3 結(jié)束語

物理模型在高中物理問題的解決過程中起到了舉足輕重的作用.模型構(gòu)建的方法不僅可以使學(xué)生有效掌握基礎(chǔ)物理知識(shí)，而且對(duì)于學(xué)生的思維能力提升、創(chuàng)造力培養(yǎng)都有著積極的促進(jìn)作用，同時(shí)可以讓學(xué)生在真正理解物理模型意義的基礎(chǔ)上，掌握物理模型的精華，以期提升解決實(shí)際問題的能力.

參考文獻(xiàn)：

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[3]屈升陽.窺探高中物理中的幾個(gè)基本運(yùn)動(dòng)模型[J].農(nóng)家參謀，2017（13）：135.

[4]周曉靜.基于深度學(xué)習(xí)理念的高中物理模型建構(gòu)的教學(xué)研究[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2023.