构建物理模型意识提高应变能力

1、构建物理模型意识，提高应变能力黄 福 辉 新的物理教学大纲明确提出了“应变能力的培养”，它指出“要通过概念的形成、规律的得出、模型的建立、知识的运用，培养学生抽象和概括、分析和综合、推理和判断等思维能力”。“要求学生能运用所学的概念、规律和模型等知识对具体问题分析，弄清物理过程和情景，明确解决问题的思路和方法，逐步学会灵活的分析和解决问题”。并且要“培养学生收集、鉴别、处理信息的能力，获取新知识的能力”。 我们知道，为了研究物理问题的方便，往往通过抽象思维和形象思维，运用理想化、简化和类比等方法，建立起描述某一物理问题的模型，物理习题就是依据一定的物理模型进行构思、设计而成的。具体地说：“物理

2、模型联想法”在物理解题中应该怎样实施，具体有哪些作用？又应怎样培养学生这种解题能力呢？一“物理模型联想法”在解题中的作用1、 抓住模型的结构特点，合理联想，活跃解题思路。对一个物理问题，通过多方位的联想，可以丰富知识背景，使我们在抓住其主要特征与已有信息进行迅速的收集比较中，揭露知识的内在联系，明确模型的结构特点，迅速把握解题方向。例1 在离坡底15m的山坡上竖直地固定一长15m的直杆AO，A端与坡底B点间连有一钢绳，一穿心于钢绳上的小球从A 点由静止开始沿钢绳无摩擦地滑下，如图1所示，求其在钢绳上滑行的时间。本题，运用常规的动力学思路不易求解，我们可以从问题的情境中的两个“15m”出发，把A

3、O延长至C，并使OC=OA=15m，则A、B、C三点均以O为圆心、以OA为半径的圆周上，如图2所示。从而使我们联想到圆有关性质，同时也容易联想起“在竖直圆的顶点沿任何弦由静止开始无摩擦下滑的物体所用的时间相等”的已知模型，从而迅速得到答案：t=tac=（2AC/g）1/2 = 2.45s。2、把握模型的运动特征，巧用类比联想，提高解题速度。 类比在处理与已有的物理模型相近的运动状态或性质的物理问题时是极其有效的。我们可以用已熟悉的事实、经验，寻找彼此间的相互联系，把解决问题的思维方法纳入到已有的解题模型中去，从而把新的、甚至是不易建立的物理模型变换成已知的物理模型，缩短推理的路径。 例2 一个

4、带正电的小球固定，另一个带电小球质量为m，绕它做匀速圆周运动。问两一个小球带何种电荷，处于处于带正电小球的何方？ 通过分析另一个小球作匀速圆周运动，其向心力肯定指向圆心，而这小球既受库仑力又受重力，很容易使人联想到圆锥摆，这样问题就很快得到结果；另一个带电小球相当于圆锥摆中的小球，就很容易得出另一小球带负电位于带正电小球的下方。 3、从题目中获取新知识构建物理模型 获取新知识是培养学生终身学习的基本要求，物理模型的构建也是学生获取新知识的一种手段。 例3 物体从地球的逃逸速度为2GM/R ,G为引力常量，M为地球质量，R为地球半径。对任意天体都存在着这种逃逸速度。当逃逸速度大于真空中的光速而不

5、能脱离天体的束缚，外界就根本看不见从这个天体上射出的任何物质。这就是经典物理学上所讲的“黑洞”。某种天体的质量是m=1.98×1030kg时，它的最大半径为多少才能成为黑洞？假设宇宙是一个大球体，其密度使得逃逸速度大于光速c，任何物体都不能脱离宇宙，物质的平均密度=1.0×1027kg/m3。则宇宙的半径至少多大？ 解析：本题中的逃逸速度公式V=2GM/R 是中学物理没有的知识，而题中关于经典物理学上“黑洞”的阐述是构建物理模型的关键，“即任何物体包括光子都因速度达不到逃逸速度而不能脱离天体的束缚”，则有：cV1) 由于cV而V=2GM/R 求得黑洞的最大半径为： R=2G

6、M/c2=2×6.67×10-11×1.98×1030/(3×108)2=2.93×103m 2）设宇宙半径为r，则宇宙的质量为： M=4r3/3 则由逃逸速度公式得宇宙半径至少为： r = c/ 8G/3 = 3×108/8×6.67×10-11×3.14×1.0×1027/3 = 4.0×1026m = 4.23×1010光年二、运用“物理模型联想法”解题的基本思路 唯物辩证法告诉我们：任何事物都不是孤立的、静止的和一成不变的，不同的事物间存在着相互沟

7、通、相互依存的关系，在一定条件发生相互转化，从而推动事物的发展。美国科学家G.波利来也曾经说过：从某种观点来看，解题中的进展被看着是对于先获得的知识进行动员和组织的结果，我们必须从记忆中汲取某些元素，并把它放于当前的问题中，使之有利于我们去吸取这样的元素。可见，运用“物理模型联想法”解题的基本程序为（1）明确题目描述的物理情景、运动形式的变化过程；（2）弄清楚题给的诸因素中什么是起主要作用的的因素；（3）在寻找已有信息（某个知识、方法和处理过程）的相似、相近和联系，并进行有选择、有针对性的联想、类比中把握解题的关键，确认题目描述的物理模型；（4）用恰当的描述物理概念和规律的物理、数学模型进行解

8、答。因此，从，某种角度来说，解题的过程实质上就是分析和还原物理模型的过程。运用“物理模型联想法”解题时，通过所给模型与已有模型间快速的对比、校正，在近乎跳跃性思维活动中，缩短了思维的途径，迅速将之等效简单、明了的另一种物理模型或分解成一些基本模型的组合，从而别开生面、独辟蹊径、化繁为简、化难为易，收到事倍功半的效果。三、物理模型联想法的培养策略在物理解题中发挥积极的作用，首先应该具备足够的引起联想的素材和发生联想的能力和技巧，而这两方面的内容我们都可以有意识地在概念学习和解题中逐渐累积起来。具体的说，我们可以用一下策略培养模型联想能力。1. 注意培养运用基本知识和基本技能处理问题的定势。 我们

9、知道，智力很高的人，善于从普通人认为不相关的知识间发现联系，从而产生联想，爆发出思想的火花。要达到这种境界，首先要靠对知识深入透切的理解，其次，要靠驾驶知识的能力。有两方面能力的人，才具有从多角度发现知识与知识间相互联系、相互配合的可能性，使得常人难以协调的知识与知识间的关系突然协调起来，从而产生大于知识数量简单相加的奇特效应。因此，我们要加强基本知识和基本技能的训练和培养。 2. 重视基本解题模式的建构和思维策略的培养。 我们知道，所谓的创造性思维实际上就是常规思维过程的合理跳跃或思维过程的优化组合。常规思维是创造思维的基础，而创造性思维是常规思维的发展。可见，“物理模型联想法”属于创造性思

10、维的范畴。 物理学中，对一类物理问题，往往有解决它的一套方法。如果我们通过分析知道这个问题属于什么模型，就可以运用已有的知识、经验去解决。因此我们在头脑中要逐渐建立起足够的物理模型，并通过一些典型例题的分析、处理、总结、归纳，清理相关物理关系，为“物理模型联想法”解题打下坚实的基础。 3. 注重培养思维的批判能力。 我们要重视培养自己积极探索、刻苦钻研的精神和于细微平常中发现问题的洞察力。在分析问题时，要重视问题情景的挖掘和再现。除了正向分析，还要不断地与一些我们已知的过程相近、图形相似但本质不同的问题进行比较，辨析和归类中。在经验与教训的不断“碰撞”中提高思维水平，逐渐形成“不同的事物要重在比同，而对相似的事物则重在比异”的思维定势，从而提高运用“物理模型联想法”解题的速度和准确度。 4. 提高思维活动的密度。 我们在做物理习题时，切忌就事论事、就题论题，而应多与同类习题比较，通过“一题多解”、“一题多变”的形式激发联想，将相关的知识、