创设物理情景,构建物理模型

创设物理情景，构建物理模型作者：詹锦林来源：《速读•中旬》2016年第03期摘要：高考新情景题型源于生产生活实际素材，源于实验所取得数据。学生遇到这类题型，往往不知道如何着手，不懂如何思考问题，不知如何运用物理概念和规律。本文先论述为什么要构建物理模型，介绍常见的基本物理模型以及结合例题分析构建模型的解题步骤。关键词：建构物理模型;模型类型;情景例题分析高中物理不同于初中物理，在高中课程的教学过程中大多数研究的对象是一些物理模型，这些物理模型既源于实践，而又高于实践，在生活、生产、科技领域中带有普遍的共性特征，具有一定的抽象概括性。物理教师在完成教学任务的过程中，要重视对学生建模意识的培养，让学生在解决物理问题时能清晰地构建出情景条件的物理模型，找到解决问题的方法，从而达到培养学生灵活思变、创造性思维的能力。一、为什么要建构物理模型物理学研究的对象遍及整个物质世界，大至天体，小至基本粒子，面对物质纷繁复杂、形形色色的运动，如果不采取突出主要矛盾，忽略次要矛盾的辩证方法，人们很难摆脱纷乱繁杂的物理现象的纠缠，理不清道不明物理概念和物理规律，物理理论的大厦将无法建成。学生在学习过程中更重要的是掌握物理学研究的方法，而物理学的研究方法之一就是把物体、物体的运动理想化、抽象化，建立起相应的物理模型。例如，忽略物体的具体形状、大小，把物体看作具有质量的几何点的质点和物体在自由下落时忽略空气等阻力，认为物体只受重力的自由落体运动。学生在分析和解答物理过程中，就是识别和还原，开发和利用物理模型的过程。二、几种常见的基本物理模型中学物理中最基本的物理模型一般分为三类：概念模型，数学模型和理论模型。概念模型一般是把物质、物质运动或为了描述物质运动进行抽象化的结果，如质点、自由落体、单摆、圆锥摆、弹簧振子、点电荷、理想气体、理想流体、电场线、光线等。学习这类模型时，要注意学会并掌握抓住主要矛盾，忽略次要矛盾的辩证思维方法;注意概念模型的质是什么，究竟忽略什么次要因素;注意概念模型的相对性和适应条件;注意比较易混淆不同概念模型间的质的区别。数学模型一般是反映物质的某种属性、物质运动的过程的规律。客观世界的一切规律原则上都可以在数学中找到他们的规律。物理学在建造物理模型的同时，也在不断的建造表现物理状态及物理过程规律的数学模型（如表达物理概念和物理规律的数学公&E：\123456'速读•中旬201603\Image\image14.png＞、＜E：\123456'速读•中旬201603\Image\image27.png＞、E=F/q等）。学习数学模型是应特别注意数学公式的物理意义和适应范围。理论模型是在物理学的研究和发展过程中，发现一些物理现象与现有的物理学客观规律不相符，为了解释这些现象，人们提出的种种假说或假设（原子核式结构模型、玻尔氢原子理论、夸克模型等）。学习理论模型是应特别注意学习建构理论模型的指导思一探知未知世界的种种假设，这种假设的正确与否还要靠实践去检验。三、如何构建物理模型模型是连接理论和应用的桥梁。经验材料、实验事实和背景知识是构建物理模型的基础而抽象、等效、假设、类比等则是构建物理模型的基本方法。下面选取两道例题加以分析：例1、某卫星环绕某星球做匀速圆周运动，求环绕半径变大时，环绕的周期、线速度、角速度、向心加速度如何变化？以及重力势能，动能，机械能如何变化？（该星球的质量为M，卫星的质量为m）一看到这个题目，联系《万有引力》一章内容，需要记忆的物理公式很多，比如求天体质量、天体密度、行星运动的加速度、速度、角速度以及周期、第一宇宙速度等。学生普遍都感觉难记。但是，如果教给学生如何构建物理模型，以上这些公式就轻而易举的解。研究对象的物理模型是天体运动模型，即物体做圆周运动的模型，必须推导圆周运动的各种物理量的表达式，再进行讨论；解题方法：[GMmr2=mv2r]，[v=GMr];[GMmr2=mw2r]，[w=GMr3];[GMmr2=ma向]，[a向=GMr2];[GMmr2=m（2nT）2r]，[T=2nr3GM]在这些表达式中，我们可以看到，环绕半径变大时，除了周期增大，线速度，角速度，向心加速度都减小，因此卫星的动能也减小，高度因为变高，所以重力势能变大，由于离心才能做半径增大的圆周运动，需要气体推动卫星做功，所以机械能也增大。同理，类似的这种模型构建中，在原子物理中，核外电子绕核做圆周运动的模型，当电子环绕半径增大时，各个物理量的变化与此运动类似，可以采用相同的方法进行解题。例2、在原子反应堆中抽动液态金属或在医疗器械中抽动血液等导电液体时，由于不允许传动的机械部分与这些液体相接触，常使用一种电磁泵，图24所示为这种电磁泵的结构.将导管放在磁场中，当电流通过导电液体时，这种液体即被驱动.如果导管中截面面积为a・h，磁场的宽度为L，磁感应强度为B，液体穿过磁场区域的电流强度为I求驱动力造成的压强差为多少？这道例题考生习惯已知物理模型的传统命题的求解，在此无法通过原型启发，将液体类比为磁场中导体，建立起熟知的物理模型，无法使问题切入。此题的题源背景是电磁泵问题，它的原理是：当电流流过液体时，液体即为载流导体，在磁场中将受到安培力作用，力的方向由左手定则判定，所以液体将沿v的方向流动.液体通电后可视为导体，从电磁场的原理图中可抽象出如图所示的模型，既通电导体在磁场中受力模型.以载流导体为研究对象，根据安培力公式，载流导体受到的安培力（即液体受力）为：F=BIh①，由压强公式，得p=[FS]②，又因为S=a・h③，由①②③得p=[BIa]。以上两个数例中，前例是课本上已充分分析、讨论过的已知模型，后例是习题教学中建立起来的经验模型，这两类模型在解题中都有很多应用。在解题时，要充分利用已知模型，将相关的知识，方法、经验联系起来，在头脑中形成一个便于存储、利于提取的灵活系统。可见，在物理教学中，教师需要引导学生利用物理模型进行解题，而运用物理模型解题的基本程序。（1）通过审题，提取题目信息。如：物理现象、物理事实、物理情景、物理状态、物理过程等；（2）弄清题给信息的诸因素中什么是主要因素。（3）在寻找与已有信息（某种知识、方法、模型）的相似、相近或联系，通过类比联想或抽象概括，或逻辑推理，或原型启发，建立起新的物理模型，将新情景问题'难题”转化为常规命题。四、小结在中学物理教学中培养学生物理模型建构的能力是教育和教学的重要目标之一，也是培养和发展学生创新能力的基础。因此，在课堂教学中教师应注意开展物理模型建构过程的教学，引导学生观察物理现象，发现物理问题，尝试物理模型建构，利用物理模型解决实际问题，健全学生解决物理问题的能力。高中物理不同于初中物理.在高中裸程的教学月任中大多数研究的对忠是—慝物理棋黑，/些物理模型既源于实龄m戊鸠于实跋，拒生活』•：产.科技领域，1啼有普遍的共性特推.具有一定的抽象探拓世物理教师寸完成牧学H务的过程中.•耍r锹对孕生建改.*沮的培养』：学乍在解律物聊间超时能清晰地构曲im景-条件的物理模乳找到辨决问通的方法.从而诂到培罪学牛浪活思变、创造性恩维的能内.-、为什么要建构物理模型物刖学研花的对象遍及K个物峨世界.5天体,小至基本粒子.面对物购SX杂、形厄色色的逐蠲*如果不斑血突出上耍不麻忽略次要矛匿的辩匪方法.人们很膨a脱纷乱赛杂的物理现象的纠凯理不浦沱不剧物理旭念和物理规律,物理理论的大螂无法皿削.在学习过程中史麻您的是、,：蛆时|，削，顷的方..而物即学的而能方法之-就是把物体、物体的谚勃现想化、抽象化,建*也相」*的物罚嘿刑例知,忽略物律的凡伸形状、大小.把物体淋®r质：.|的儿何点的瓯敏棚物林右i'i中卜祎I】寸忽略空‘（以阻力,认肯物傩只受币力的11宙落休诞动学生花公析和解答物理过程中，维呈诅划和还窗,开重和利用物理啊的过程几种常见的基本物理模型中学物理中M培本的物理模垠一般分为.做:fft念模型.数孕模弟辅理他模我.脱念模塑一股是把物质、物成适动成为了描述物硕送动进行抽象化的结果,如凰点JI巾落体、单摆网锥摆刑簧振于、点电荷、理想气体、理想流体血场线、光线等孕习小梵S!型时.•要注鬼学金并掌握抓住主要矛押，忽略次座矛危的辩证思绯方袂；注意概念模型的质JiHI•么，究竟忽略什恐沃要同素；沌意13志模型的郴对饮利适般条件;在获比较瑞混褶书同概念模型间的质的区别=数学校骚■噂反映物质的某种域性,物质迅渤的过程的理fI”客观世界的-切埸律原则上都可以在数学中拢到他竹的姗物理学在典物理模1日的同时，也作不断的心？颇物邮■&处物理过程现仆的数学校！<如表也物理做意和物理既世的数7会式P=涮箕F=tnat=f/（j耸】学习敖学模型是应持别注意数学公式正物理息义和诂应电围理跑模型呈在物理孕的研究和发展过程中成现曜物碗现象'J理右的物理学噌观规律不相正，为孑解禅这哩现象2们提出的种种假说或假设（原子核式结构模型、瑕尔富原予押论,奇克快型等）•'（-■习理论校刑是应持别注意学习建构理论模邱的指导思想探知未做at界的神神岐设,这种嘏设抽正遮与就总靠实成上拖验三、如何构建物理模型模型是莲粮理出和应川的桥梁，经雌材料攻验求宝利程映知识是枸建物理模整的最新：而抽象,等效，楸设,类比等则呈拘座物理模型的屈本方认F血邮两ifi例题加以分析:机.某化星却浇某犀琲雄匀i妙H用*.：祯.求环.半昨变大时，扑毙的周期、嫉速搪、的速匮Ml心加速健如何空化，以及亟力势能，动能.机械能加何斐化?f该g的质最为M.卫星的质量为m）•■到这个题11,联系g亏I力》牵内容要论怆的物理公式很#.j匕如求大休伍y.x仆的z.行扩运动的加速度、以皮jfm匹以成周期、第…宇宙速推尊学t•.衿辿部感觉嫌记但是,如果教绐■?1-如何构ur物理模型，以上送共公式就转面易带的解研究时象的物理模型是大体溶动模型，即物体做阍周运动的模型.业顷引i导。以运动的吝种物理试的表达式，再进行讨论；辩蜓打法：传罕=衅,r=J平t。伊=帕心."=!料:『'.e*.%=《；挥*箱r,，=却原在这魄表达式中，我町河以斤倒.环境•半,及I技大时.障了周期地大，线速成.痢速职.向心加速度\M/枪跛小m此I!星的动能也减小篇波阂为龙高，所'一/以®Jj邙能业k.由J悯心才能敝牢倒ft*的圆周握珈需要气体推动卫早做功.所以机械能机堵大”同理,类似的抵忡悦型构堡中,■帽子物理中,楼外电子缰核揪圆固山的模华3电亍环挠半衫增尺肘.各个枷ni的变化勺此让动类俶，可以采用相间的方法通有解题:舸A在肮子反应推申抽动匿态佥属或在厌疗器械中独动血液等出11液体时冲「不充许传的的机成都分身这些谶体相接触.常侧U一种电畿泉.图24所示为这种电磁系的结拘.需导管敢花施场中.当电流通日峥电液体时，这种液俺即袱站动，如果导管中截而而枳为h.瓯境的宽度为L,磁感为H展律穿过礁琢区域的电流强诲为1求酗动力造成的压徵推为多少?这逍例够学习.已知描理模型的博统命可的求—.制在世尤法血过崎型启发，将液体类比为磁场中导r>r\林,建V.应熟制的物即校咽.无rA便问题h'JA、£泛了-'此咂的通源背景是电雌某问题,它的原理是酒电就H旎流过波怵时,液体即为载蹴导体.赤磁场中将受到安W域m11,jj的方向由左t能则刿定新以液体将沿v树方向滥动.液怖通咆后可视为寻作,队电磁城的睇理图中可抽象出血陷所示的模职颇电甘体的曲场中受力检囤.以载州怵为研究妇象，根据安暗打*七栽流导体受到的安培力（即液体®n为：F=BEh（D.H1JR强公成>件p=§忿乂囚为S="h③.南QXD®i§理'以上两个敖例中，前例是飒本上已尤分分柝、讨论过一一--的已知柳型.后例是习麒教学中建航城来的经验模型、这;<tL；两类模型冷辨题中帝右徂寥应用在解题嘴理充命利十一m巴卸榄邱.将机关的知识,方津*粉联系起来，在头胸中形成-个他「存俺.利「提取的灵柄系统诃给,在:物理教学中，教师带耍W导学生利川物理模型进行解题.而运川物理模型解姓的系本知in通it审藏.提取题廿信息如.r物理现