浅析高中物理中的建模教学

1、浅析高中物理中的建模教学    宁丽芬摘要：物理是一门实验性、应用性较强的学科，学好物理要求学生有较强的理解能力、推理能力、分析能力、实验能力和应用数学工具解决物理问题的能力。而要培养学生的这些能力，教师就需要教会学生物理建模。关键词：高中物理；模型；建模教学作者简介: 宁丽芬，任教于河南省汤阴一中。物理是一门实验性、应用性较强的学科，学好物理要求学生有较强的理解能力、推理能力、分析综合能力、实验能力和应用数学工具解决物理问题的能力。所以说，物理对学生的要求比较高。而作为一名高中物理教师，就是想办法帮助学生走出困境、渡过难关，尽可能在平时的教学中培养学生

2、学习物理的兴趣，培养学生学好物理的自信。学好物理重在“领悟道理”，笔者在长期的教学中探索了一套行之有效的方法，即帮学生建立基本的物理模型。一、物理模型与建模教学物理模型是对实际的问题进行科学抽象的处理，用一种反映原物本质特征的理想物质或过程或假设结构，去描述实际的事物或过程。建模既是一种思维过程，也是一种思维方法，其实质就是将隐藏在复杂的物理情景中的研究对象或物理过程进行简化、抽象、类比、提炼。因此，建模的目的就是根植于具体的物理情景并将其准确地呈现出来，从而分析、处理和解决物理问题。二、高中物理教材中常见的模型1. 理想化模型“质点”模型：质点是研究机械运动时引入的理想化模型，此模型可用于研

3、究大小和形状可忽略不计的物体的运动。例如在天体运动中，把天体看做质点，有助于使复杂问题简单化，还有电学中的点电荷也是这类模型。“轻绳、轻杆、轻质弹簧”模型：教学过程中要讲清这三种模型的异同点，比如：轻杆对物体的弹力不一定沿着杆，轻绳弹力只能沿着绳子收缩的方向，弹簧在具体的问题中可能处于伸长或压缩状态等。在平时的训练中常见的还有竖直平面内的圆周运动，“轻绳小球”、“轻杆小球”等模型的临界问题，“绳上有滑轮”、“半圆形支架”的动态平衡问题等。“理想变压器”模型：所谓理想变压器就是没有能量损失的变压器。2. 运动学模型“抛体运动”模型：包括自由落体、竖直上抛、竖直下抛、平抛、类平抛等。其中前三类都是

4、对应的匀变速直线运动，可以用运动学公式和牛顿运动定律来解决；后两种是曲线运动，一般要运用运动的合成与分解来解决，其中类平抛还常解决带电粒子在电场中的运动问题。例1：真空中的某装置，如图1所示，其中平行金属板A、B之间有加速电场，C、D之间有偏转电场，M为荧光屏。今有质子、氘核和粒子均由A板从静止开始被加速电场加速后垂直于电场方向进入偏转电场，最后打在荧光屏上。已知质子、氘核和粒子的质量之比为124，电荷量之比为112，则下列判断中正确的是        （   ）。A. 三种粒子从B板运动到荧光屏经历的时

5、间相同。B. 三种粒子打到荧光屏上的位置相同。C. 偏转电场的电场力对三种粒子做功之比为122。D. 偏转电场的电场力对三种粒子做功之比为124。解析：这道题就是带电粒子在电场中的类平抛运动，可分为三个阶段，在AB阶段的匀加速，CD阶段的偏转，及之后的匀速直线运动。“圆周运动”模型：包括天体运动、竖直平面内的圆周运动、带电粒子在磁场中的运动等，其中天体运动中的模型还有双星、同步卫星、宇宙速度。竖直平面内的圆周要注意的是临界问题，还有就是如果物体又受到电场力影响的话还得注意等效最高点和最低点问题，带电粒子在磁场中的运动要注意根据几何关系确定圆心、求半径的方法。“人船”模型、“滑块木板”模型、“子

6、弹打木块”模型：这些模型在动量守恒和能量守恒的应用中经常要用到，特别是“滑块木板”模型、“子弹打木块”模型在摩擦生热、能量守恒、运动的临界问题中是非常重要的内容，并且要分清楚相对位移和对地位移。3.力学中的模型“斜面”模型：除可以解决摩擦力问题外，还可以在力的平衡及牛顿运动定律应用中大显身手，学生学会了这个模型对解决力学有很大的帮助。“传送带”模型：水平和倾斜放置的传送带，在教学中可以综合解决静摩擦力、滑动摩擦力、功和能及摩擦生热等问题。例2：如图2所示，水平长传送带始终以速度v=3 m / s匀速运动，现将一质量为1 kg的物块放于左端（无初速度），最终物体与传送带一起以3 m / s的速度

7、运动，在物块由速度为零增加至v=3 m / s的过程中，求：   （1）由于摩擦而产生的热量。（2）由于放了物块，带动传送带的电动机消耗了多少电能。解析：（1）小物块刚放到传送带上时其速度为零，相对于传送带向左滑动，受到一个向右的滑动摩擦力，使物块加速，最终与传送带达到相同速度v。（2）电动机多消耗的电能即物块获得的动能及产生的热量之和即。点评：在利用传送带运输物体时，因物体与传送带间存在相对滑动而产生摩擦热量，这样就会使动力系统要多消耗一部分能量。在计算传送带动力系统因传送物体而消耗的能量时，一定不要忘记物体在传送带上运动时因相对滑动而产生摩擦热量的计算。4.电磁学中的模

8、型“混联电路”模型：此类模型用的是闭合电路欧姆定律，常用来解决动态变化，如回路中电阻变化，判断路端电压，电流表、电压表示数，及某一原件功率的变化，另外还可解决电路故障。“变压器”模型：变压器用的电磁感应原理，故在理想变压器中要注意三个制约关系以及远距离输电的问题中能量损耗及功率分配问题。“复合场”模型：一类是处理基本粒子和带电小球、带电微粒的运动问题；另一类是带电粒子在复合场中的应用，常见的有质谱仪，回旋加速器，速度选择器，磁流体发电机，电磁流量计，霍尔元件等等。电磁感应现象中的“单杆、双杆、线圈”组合模型：这类模型可用于解决导体棒切割，感应电动势等问题，以及电压、电流及功率的计算。平面导轨、

9、竖直导轨、倾斜导轨与单杆及双杆模型的组合解决电磁感应与力学综合问题。例3：如图3所示，质量为m，边长为L的正方形线框，在有界匀强磁场上方h高处由静止自由下落，线框的总电阻为R，磁感应强度为B的匀强磁场宽度为2L，线框下落过程中，ab边始终与磁场边界平行且处于水平方向。已知ab边刚穿出磁场时线框恰好做匀速运动。求：（1）cd边刚进入磁场时线框的速度。（2）线框穿过磁场的过程中，产生的焦耳热。解析：解答本题的关键是分析线框的运动情况。过程一：线框先做自由落体运动，直至ab边进入磁场。过程二：做变速运动，从cd边进入磁场到ab边离开磁场，由于穿过线框的磁通量不变，故线框中无感应电流，线框作加速度为g

10、的匀加速运动。过程三：当ab棒穿出磁场时，线框做匀速直线运动。整个过程中，线框的重力势能减少，转化成线框的动能和线框电阻上的内能。（1）设cd边刚进入磁场时线框的速度为v0，ab边刚离开磁场时的速度为v，由运动学知识，得：三、高中物理教学中建模的意义1. 体验探求规律的过程物理模型的建立是一种严密的思维方法的运用，其思维过程非常明显。但模型好用，不易建构。原因是每一个物理过程的处理，物理模型的建立，都离不开对物理问题的正确分析。在实际的教学过程中，可以让学生感受物理模型的设计思想和分析思路，鼓励学生敢于分析复杂的物理过程，培养学生运用科学抽象的思维方法处理问题的能力。2. 激发学生兴趣，享受学

11、习乐趣引导学生学习和探究，必须先激发学生的学习兴趣。建模教学能增加学生学习物理的信心，给学生带来学习的快乐，激发学生强烈的求知欲望，产生巨大的学习动力。3.培养学生的创新意识，丰富科学素养建模过程是一种创新过程，故建模教学自然可以培养学生的创新意识和创新能力。创新意识和创新能力是两个不同的概念，有时意识比能力更重要，意识的获取需要建模教学及学生有较多的自主建模经历来实现。它能让学生掌握获取知识的方法，增强学生探究未知世界的兴趣和能力，丰富学生的科学素养。参考文献：1姜静.浅谈物理模型在物理教学中的运用J.大连教育学院学报，2010(1).2张同权.例析“带电粒子在磁场中的圆周运动”J.高中数理

12、化，2010(1).作者单位：河南省汤阴一中邮政编码：456150A Brief Analysis of Modeling Teaching in Senior High School PhysicsNING LifenAbstract: Physics is a subject of strong experiment and application and learning physics requires students to possess strong understanding ability, reasoning ability, analyzing ability, experiment ability and ability of applying mathematics tools to solve physics problems. In order to cultivate students these abilities, teachers must teach students physics modeling.Key words: senior high school physics; model; modeling teaching