构建物理模型-提高解题能力

构建物理模型，培养解题能力 我国著名的科学家钱学森说：“模型就是通过我们对问题现象的分析，利用我们考究得来的机理，吸收一切主要因素，略去次要因素所创造出来的一幅图画是形象化了自然现象。”在研究物理问题时，通过科学的抽象、剔粗取精、去伪存真建立正确的物理模型，清楚物理模型的相对性及适应条件，区分表面相似而本质不同的物理模型，善于将一个复杂的物理模型等效为若干简单的模型，就能正确、简捷地解决问题。一、物理模型分析 物理学所研究的运动，是一种简单的运动形式，物理学的研究方法是通过建立一个个物理模型，使实际复杂多样的物质世界简单化，建立物理模型的过程是一个抽象思维过程，要能抓住事物的本质。高中阶段的物理学习为我们积累了很多物理模型，我们可以将其分类成：物质结构的模型(如质点、物体的分子结构、理想气体、原子结构、核结构、导体等等)；作用过程的模型(如：碰撞、能量转化过程、光电效应、核变化等)；运动模型(匀速直线运动、匀变速直线及曲线运动、平抛运动、圆周运动、简谐振动等等)；其他模型(电流、电阻、磁流体发电机、电磁流量计、理想变压器等等)，也可以说物理中所有的公式、定律、定理都是对一个个不同的模型的描述，我们解题所列的等式，就是将物理模型与具体物理情景相结合的产物。有了系统的物理知识就有了足够的物理模型，解题时所谓建立模型，就是根据从题目中提炼出的有效信息，调出大脑中储存的与之相关的物理模型。 二、运用物理模型解题的步骤 中学物理中的概念、规律、公式等，都是一定理想化模型下抽象和推导出来的。因此，了解并掌握物理模型方法，对学习、理解物理知识并解决实际问题是非常必要的。那么，如何来运用物理模型方法呢？首先应注意以下几方面：第一，学习过程中应不断有意积累物理模型，这是为更好运用物理模型提供了量变的准备。第二，每个物理模型都有各自独立的成立条件和适用范围，只有充分地认识，才能准确运用物理模型。第三，运用好物理模型应具备以下两个环节：明确物理对象，提取有用信息环节和构建解题模型环节。运用物理模型解答物理习题的过程方法大体可为：分析题意，确定对象模型；参考对象所处环境，挖掘有用信息，剔除干扰信息，确定条件模型；依据对象的变化情况，确定其状态与过程模型；将对象、条件、状态、过程模型转化为相应的数学模型，从而解答出实际问题。下面是用物理模型解题的一般思维流程： 定性检验 条件 分析推理物理 对象 认知 建模 物理 解决问题 情景 结构 假设 模型 状态 过程 数学模型实验验证三、相关模型的举例解析 结合以上解题思维流程，在此我向大家关于中学物理常用的几种典型模型的规律应用做简单介绍，以起抛砖引玉之功效。1.物质结构的模型例1 理想气体是一种气体模型，是对真实气体的抽象，其微观的特点是：理想气体分子线度可以忽略不计，即具有一定的质量而没有大小；分子之间以及分子与器壁间除了弹性碰撞外无其他作用力。通常不易液化的气体在压强不是太大、温度不是太低的情况下，可视为理想气体。现有一定质量的氢气，装在绝热密闭的气缸内，如图所示，若稍稍向下移动活塞压缩气体，则下列叙述符合事实的是（ ）A、气体的内能一定增加利时 B、气体的温度一定升高C、气体分子的平均间距不变 D、气体压强一定增加解析：理想气体是一种气体理想模型，由题中所给信息可知：分子间没有引力和斥力，这一特殊的结构决定了理想气体的性质不同于一般气体，分子间的势能随着分子间的作用力消失而不复存在，其内能仅仅指所有分子动能的总和。压缩气体对气体做功，绝热保证了没有热传递发生，根据热力学第一定律，内能是一定增加，而温度是分子平均动能的标志，分子数目不变，内能增加，温度一定升高，体积减小，气体分子间距明显变小。由于分子的平均动能增加，且分子的密集程度增大，故气体的压强一定增加。2、作用过程的模型 例2 如图所示，在光滑的水平面上静止着两小车A和B，在A车上固定着强磁铁，总质量为5kg，B车上固定着一个闭合的螺线管,B车的总质量为10kg。现给B车一个水平向左的100 Ns的瞬间冲量，若两车在运动过程中不发生直接碰撞，则相互作用过程中产生的热能是多少?解析：通过类比等效的思维方法将碰撞等效为“子弹击木块”(未穿出)的物理模型。由于感应电流产生的磁场总是阻碍导体和磁场间的相对运动，A、B两车之间就产生排斥力，以A、B两车为研究对象，它们所受合外力为零，动量守恒，当A、B车速度相等时，两车相互作用结束，据以上分析可得：从B车运动到两车相对静止过程，系统减少的机械能转化成电能，电能通过电阻发热转化为焦耳热。根据能量转化与守恒：“子弹击木块”是中学阶段典型而又重要的一个模型，物理学习过程中能等效成子弹击木块的模型很多，比如，物块滑上木板，磁铁穿圆环，两带电小球在同一直线上运动等，这种模型在高考试题中经常出现。3、运动模型 例3：如图所示，一对杂技演员（都视为质点）乘秋千（秋千绳处于水平位置）从A由静止出发绕O点下摆，当摆到最低点B时，女演员在极短时间内将男演员沿水平方向推出，然后自己刚好能回到高处A。求男演员落地点C与O点的水平距离S。已知男演员质量m1、女演员质量m2之比等于2，秋千的质量不计，秋千的摆长为R，C点比O点低5R。 解析：在运用过程模型分析过程时，可将这一对杂技演员在整个表演过程用放慢镜头的方式将物理过程分解为几个最简单的子过程。（1）男女演员先一起整体从A下摆到B点，在这个子过程中系统的机械能守恒；（2）在B点女演员在极短时间内将男演员沿水平方向推出的过程，男女两人水平方向动量守恒；（3）两人分离后，男演员作平抛运动，而女演员继续荡秋千恰好能回到A点。我们只要引导学生将这三个物理过程分别列出式子，就可将此题顺利解答。设男女演员一起整体从A下摆到B点时的速度为V，由机械能守恒定律得：（m1+m2）gR=(m1+m2)V2/2 解得V=女演员在极短时间内将男演员沿水平方向推出，设此时男、女演员的速度大小分别为V1、V2，这一瞬间过程系统水平方向动量守恒（m1+m2）=m1V1m2V2女演员在返回荡秋千的过程，由于恰能回到A点，根据机械能守恒定律有：V2 代入上式可得：V12男演员最后以速度V1作平抛运动SV1t28R过程模型就是将物理过程模型化，将一些复杂的物理过程经过分解、简化、抽象为简单的、易于理解的物理过程。4.其他模型 物理中的模型非常多，而且也比较复杂，中学物理模型远不只以上特例，常见的还有：等效弹簧、等效电阻、等效电源、等效电路，等效磁场(螺线管的磁场等效于条形磁铁的磁场)、等效小磁针等等，根据信息抽象出等效模型的思维过程，在解题中显得非常重要。结束语：由于正确运用过程模型来分析题意，使问题得到简化，学生思维更加清晰，也加深了学生对物理概念和规律的理解，有利于培养学生思维的灵活性。学生在学习过程中应有意识的积累、掌握和尝试运用物理模型，才能在解答具体物理习题