重視物理模型整合培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

高中物理我們學(xué)過的物理模型很多，有些模型相似、相異，學(xué)生們很容易混淆，往往缺乏知識(shí)的遷移能力而無從下手。所以，我們?cè)诮虒W(xué)中，不但要重視學(xué)生物理建模能力的培養(yǎng)，還要注意物理模型的整合。這樣，在遇到新問題的時(shí)候，可用熟知的物理模型去解決，起到事半功倍的效果。下面，具體談?wù)勗谖锢斫虒W(xué)中如何對(duì)物理模型進(jìn)行有效整合，從而達(dá)到構(gòu)建良好認(rèn)知的目的，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

一、整合一些典型的物理模型、提高學(xué)生的審題能力、建模能力、解題思維的方式

物理模型很多，主干知識(shí)力學(xué)、電學(xué)的主要物理模型有：平衡模型、平拋模型、圓周運(yùn)動(dòng)模型、帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的模型、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的模型等等。

例1：力學(xué)典型平衡模型的整合（近幾年各地高考中考查有關(guān)力學(xué)平衡模型的試題）。整合這些典型的力學(xué)平衡模型，使學(xué)生對(duì)平衡問題有深刻的理解。

二、整合相似物理模型的問題，揭示物理模型間的聯(lián)系，提高學(xué)生的建模能力、解題的遷移能力

針對(duì)原有物理問題中包含的一些重要的、共性化的物理模型，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)這些已做物理問題進(jìn)行整合，加深學(xué)生對(duì)物理模型本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，提高建模能力和解題的遷移能力。

例2：最大速度模型的整合

根據(jù)牛頓第二定律，由于物體所受合力減少，所以物體的加速度變小，但是速度增大，當(dāng)物體所受的合力為零即加速度為零時(shí)，物體的速度最大。

最大速度模型是一個(gè)重要的物理模型，學(xué)生通過解答這些問題揭示解答這類問題的共同思路（通過受力分析，結(jié)合牛頓第二定律可知當(dāng)合力為零的時(shí)候速度最大）。

例3：帶電粒子平行射入圓形磁場(chǎng)物理模型的整合

帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)是高考物理的重點(diǎn)內(nèi)容，整合帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可提高學(xué)生的審題能力、建模能力、分析問題的能力。

①如圖A。半圓有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)的圓心O1在X軸上，OO1距離等于半圓磁場(chǎng)的半徑，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B1。虛線MN，平行X軸且與半圓相切于P點(diǎn)。在MN上方是正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)，電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)大小為E，方向沿X軸負(fù)向，磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B2。B1、B2方向均垂直紙面，方向如圖所示。有一群相同的正粒子，以相同的速率沿不同方向從原點(diǎn)O射入第I象限，其中沿x軸正方向進(jìn)入磁場(chǎng)的粒子經(jīng)過P點(diǎn)射入MN后，恰好在正交的電磁場(chǎng)中做直線運(yùn)動(dòng)，粒子質(zhì)量為m，電荷量為q （粒子重力不計(jì)）。試證明：題中所有從原點(diǎn)O進(jìn)入第I象限的粒子都能在正交的電磁場(chǎng)中做直線運(yùn)動(dòng)。

②電子質(zhì)量為m，電荷量為e，從坐標(biāo)原點(diǎn)O處沿xOy平面射入第一象限，射入時(shí)速度方向不同，速度大小均為v0，如圖B所示。現(xiàn)在某一區(qū)域加一方向向外且垂直于xOy平面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，若這些電子穿過磁場(chǎng)后都能垂直射到熒光屏MN上，熒光屏與y軸平行，求：所加磁場(chǎng)范圍的最小面積。

（圖A） （圖B） （圖C）

這2道題目，都可歸結(jié)到一個(gè)模型。當(dāng)帶電粒子在磁場(chǎng)中勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑和圓形磁場(chǎng)的半徑相同時(shí)，如果帶電粒子平行射入磁場(chǎng)，將從同一點(diǎn)飛出，反之，如果從磁場(chǎng)中的同一點(diǎn)射入，必將平行射出。如圖C，抓住這一類物理現(xiàn)象的共同規(guī)律后，題目就迎刃而解。

三、整合相異物理模型的問題，揭示物理模型間的區(qū)別，構(gòu)建清晰化模型結(jié)構(gòu)

針對(duì)學(xué)生容易混淆的相異物理模型，包含這些模型的易錯(cuò)問題進(jìn)行整合，讓學(xué)生在整合解答中揭示這些“形同質(zhì)異”問題和模型的本質(zhì)區(qū)別，整合構(gòu)建一個(gè)清晰化模型結(jié)構(gòu)。

例4：豎直平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)模型的整合

通過對(duì)外球面模型（通過摩天輪上的最高點(diǎn)）、內(nèi)球面模型（過山車通過最高點(diǎn)）、細(xì)桿模型（打夯機(jī)上轉(zhuǎn)動(dòng)物體通過最高點(diǎn)）三個(gè)形同質(zhì)異的問題進(jìn)行整合，引導(dǎo)學(xué)生分析解答這三個(gè)整合問題，揭示這三個(gè)問題中所包含物理模型的差異，從而構(gòu)建一個(gè)清晰的物理模型結(jié)構(gòu)，使學(xué)生對(duì)不同情況下圓周運(yùn)動(dòng)的最高點(diǎn)的臨界速度有了深刻的認(rèn)識(shí)。

四、不同的物理模型相似的解題方法的整合

物理解題的方法有很多，例如等效法、隔離法、整體法、對(duì)稱法、極值法、圖像法、守恒法等等。有效的整合解題方法，可以加深學(xué)生對(duì)這些重要解題方法的認(rèn)識(shí)，內(nèi)化解題方法，促進(jìn)認(rèn)知中方法的綜合貫通。

例5：包含對(duì)稱的解題的方法物理模型的整合

①兩塊質(zhì)量分別為m1和m2的木塊，用一根勁度系數(shù)為k的輕彈簧連在一起，現(xiàn)在m1上施加壓力F，如圖D。為了使撤去F后m1跳起時(shí)能帶起m2，則所加壓力F應(yīng)多大？

②設(shè)想地心有物體，質(zhì)量為m，則地球?qū)ξ矬w的萬有引力為多少？ A.0、B.mg、C.無窮大、D.不能確定。

③如圖E。兩個(gè)共軸的圓筒形金屬電極，外電極接地，其上均勻分布著平行于軸線的四條狹縫a、b、c和d，外筒的半徑為r0。在圓筒之外的足夠大區(qū)域中有平行于軸線方向的均勻磁場(chǎng)，磁感強(qiáng)度的大小為B，在兩極間加上電壓，使兩圓筒之間的區(qū)域內(nèi)存在沿半徑向外的電場(chǎng)。一質(zhì)量為m、帶電量為+q的粒子，從緊靠?jī)?nèi)筒且正對(duì)狹縫a的S點(diǎn)出發(fā)，初速度為零。如果該粒子經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)之后恰好又回到出發(fā)點(diǎn)S，則兩電極之間的電壓U應(yīng)是多少？（不計(jì)粒子的重力，整個(gè)裝置在真空中）

（圖D） （圖E） （圖F）

1）撤去F后，系統(tǒng)作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)具有明顯的對(duì)稱性，該題可利用最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的對(duì)稱性來求解。 2）地球其中任何一部分對(duì)此物體的吸引，均有一個(gè)與之對(duì)稱的等大反向的吸引，所以地球?qū)ξ矬w的萬有引力合力為0。3）該題粒子的運(yùn)動(dòng)具有周期性，對(duì)應(yīng)的軌跡具有對(duì)稱性如圖F所示，所以只要粒子能沿半徑方向進(jìn)入b狹縫，它就能回到S點(diǎn)。

上述三個(gè)例題，都滲透著運(yùn)用對(duì)稱的思想解題的方法。學(xué)生們通過對(duì)這三個(gè)問題的研究，加深了對(duì)用對(duì)稱法解答物理題目的認(rèn)識(shí)，并在認(rèn)知中得到內(nèi)化。

五、同一物理模型不同的解題方法的整合

從近幾年的高考中我們可以發(fā)現(xiàn)，有很多的高考題目平常我們都似曾相識(shí)，但是這些題目都在我們?cè)械幕A(chǔ)上加以改動(dòng)或改進(jìn)，比如改變某一個(gè)限制條件、物理情景、把原題目要求解的問題作為新題的條件、而原題已知的條件作為新題求解的內(nèi)容等等。

例6：導(dǎo)體棒在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的物理模型的整合

導(dǎo)體棒在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)不同條件下的運(yùn)動(dòng)問題，求導(dǎo)體棒上的安培力如何變化。

例7： 包含測(cè)量電阻的多種不同方法物理模型的整合

每一種解題方法都有一定的適用范圍，通過對(duì)解答某一類問題，不同解題方法的整合，揭示不同方法間的聯(lián)系和區(qū)別，引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)地掌握解答某類問題的思路方法。教師要根據(jù)實(shí)際課時(shí)的內(nèi)容安排，及時(shí)向?qū)W生強(qiáng)調(diào)基本物理模型建立的過程和條件，要求學(xué)生牢固把握住這些基本的物理模型。模型是從物理現(xiàn)象通向解決問題的橋梁，通過不斷概括、應(yīng)用物理模型，提高了學(xué)生解決問題的能力，培養(yǎng)了創(chuàng)新能力。

總之，我們?cè)诮虒W(xué)中不但要重視學(xué)生物理建模能力的培養(yǎng)，還要注意物理模型的整合。只有對(duì)物理模型有本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，才能提高建模能力和解題的遷移能力，優(yōu)化學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)，促進(jìn)高中物理的有效復(fù)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭青岳.物理解題思維研究[M].鄭州：大象出版社，2005.

[2]沈亞華.透視2012年江蘇高考物理試題反思高中物理教學(xué)[J].

物理教師，2012（10）.

（浙江省溫嶺市技工學(xué)校）