高中物理模型及建模能力的培养.doc

高中学生物理学习成绩的好坏很大程度取决于他们对基本物理模型的掌握及面对新题型，新背景的建模能力。何谓物理模型？物理模型就是典型的物理问题，是基础知识的高度概括。1、物理模型的特点典型性是物理模型的首要特点，物理模型是从一类物理问题中，抓住主要的本质问题，删除干扰和次要因素，集基础知识与基本规律于一体，具有代表性的结晶。方法性是物理模型的第二个特点，物理模型不只是知识的结晶，同时也是思维的结晶。掌握好物理模型，除了加深对物理概念的理解之外，还可以从物理模型的建立，理解物理知识深刻的内涵及外延，体会将物理知识应用于解决实际问题的思路和逻辑方法入手。美学性是物理模型的第三个特点，物理模型能简明扼要地揭示物理问题，体现了他的形式美。物理模型是知识与思维的产物，是知识与能力的完美结合，体现了和谐美，随着学习的深入，对同一模型会有不同层次的体会和感悟，会为它丰富的内涵所折服，体现它的内在美。2、物理模型的分类（1）实物模型。这种模型教材中较常见，一般用于建立某个物理概念，对理解概念起着不可估量的作用，如质点，弹簧振子，点电荷，理想气体，原子的核式结构等。（2）过程模型，这种模型一般用于分析物理事件发生的过程，建立物理情景，如碰撞、简谐运动、天体运动等。（3）问题模型，这类模型以问题为核心，形成一种解决问题的一般方法，使处理问题的思路清楚，可化繁为简，化难为易。同一问题，从不同角度可抽象成不同模型，这种模型教材一般并无明确提出。如平衡问题，子弹打木块问题，传送带问题，带电粒子运动的问题等。3、学好物理模型的意义（1）是学习知识的需要，教师抓好物理模型，可以让学生在较少的课时内，掌握更丰富的物理知识，抓物理模型的教学，将最基础，最典型的物理知识，物理问题介绍给学生。并通过建立物理模型，将研究方法也展示给学生，引导学生思考，感悟以至升华。（2）也是高考的需要。高考试题一般以新材料，新背景的形式出现，且题目较长，这就要求学生迅速摄取有效信息，建立物理模型。4、从高考题谈物理模型例1：天空有近似等高的浓云层。为了测量云层的高度，在水平地面上与观测者的距离为d=3.0km处进行一次爆炸，观测者听到由空气直接传来的爆炸声和由云层反射来的爆炸声时间上相差t=6.0s，试估算云层下表面的高度，已知空气中的声速V= km/s。解析：该题是2006年全国高考理科综合试卷的第一道计算题，难度不大，但很好地考查了学生的建模能力。该题考查了匀速运动模型，反射模型。如图1，A表示爆炸处，O表示观测者所在处，h表示云层下表面的高度。用t1表示爆炸声直接传到O处所经时间，则有d=Vt1，用t2表示爆炸声经云层反射到达O处所经时间，因为入射角等于反射角，故有：=vt2 已知t2-t1=t联立三式得h= 代入数值得h=2.0103m但笔者在监考中发现有 的学生建立了错误模型，如图2爆炸声垂直射向云层，然后反射到观测者，一个基本的反射模型竟然有如此多的学生错误。可见建模能力的重要。例2：太阳现在处于主序星演化阶段，它主要是由电子和 等原子核组成，维持太阳辐射的是它内部的核聚变运动，核反应方程是2e+4 释放的核能，这些核能最后转化为辐射能。根据目前恒星演化理论，若由于聚变反应而使太阳中的 核数目从现有数减少10%，太阳将离开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段，为了简化，假定目前太阳全部由电子和 核组成。（1）为了研究太阳演化，需要知道目前太阳的质量M，已知地球半径R=6.01024kg，日地中心的距离r=1.51011m，地球表面处的重力加速度g=10m/s2，1年约为3.2109s，试估算目前太阳的质量M。（2）已知质子质量mp=1.672610-27kg；42He质量ma=6.645810-27kg，电子质量me=0.910-30kg，光速C=3108m/s。求每发生一次题中所述的核聚变反应所释放的能量。（3）又知地球上与太阳光垂直的每平方米截面上，每秒通过的太阳辐射能=1.35103W/m2，试估算太阳继续保持在主序星阶段还有多少年的寿命（估算结果只要求1位有效数字）解：该题是2001年全国高考理科综合试卷的压轴题第31题，是一道典型的信息给予题。也是检查考生建模能力的一道好题。要回答第一问，可引用万有引力定律中的行星模型（地球绕太阳转，周期T=1年）及球体模型（取地球表面质量为m0的物体），于是不难得出方程组：= =m0g解方程组可得M= 代入数据得M=21030kg。回答第二问，可由题干提供的信息，太阳全部由电子和11H核组成及核反应方程，建立起太阳内部轻核聚变模型。2个电子和4个11H核结合，形成由2个电子和4个11H核组织的42He并释放核能，由爱因斯坦质能方程可得发生一次核反应释放的核能为E=mc2=(4mp+2mc-ma)c2代入数据解得E=4.210-12J第三问应先建立太阳由主序星进入红巨星的演化模型，太阳总质量为11H核质量总和，得出太阳辐射总能量为E=NE= 10%E（N= 10%为核反应次数）再建立起太阳辐射能量各向均匀的火球模型，得出太阳每秒辐射能=4r2，最后得出太阳保持在主序星的时间为t= = 代入数据得t=11010年=1百亿年作答本题，若不能先建立起相应的物理模型，脑