淺析高中物理教學(xué)中柱體模型的有效性教學(xué)方法探究

王蕾

摘 要： 高中物理在高中學(xué)習(xí)中占據(jù)重要地位，是高中學(xué)習(xí)中比較困難的一門學(xué)科。以往教學(xué)方式中，教師教學(xué)方法單一，導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，課堂學(xué)習(xí)效率低下。新課標(biāo)對(duì)學(xué)生物理學(xué)習(xí)提出更高要求，無(wú)形中對(duì)教師教學(xué)方法提出更高要求。教師也在尋找更有效的方法提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效率及物理水平。建模法是高考物理考察的一種問題解決方法，而柱體模型在物理教學(xué)中有重要應(yīng)用。所謂“柱體模型”指在問題解決中選取某一微小“對(duì)象”或“過(guò)程”，建立一個(gè)像圓柱體那樣的管道進(jìn)行問題分析和研究。文章對(duì)高中物理教學(xué)中柱體模型的有效性教學(xué)方法做出探究。

關(guān)鍵詞： 高中物理 教學(xué) 柱體模型

當(dāng)一種物質(zhì)或物理量隨時(shí)間或空間連續(xù)分布時(shí)，往往可以截取一段圓柱體進(jìn)行研究。當(dāng)然要求這段圓柱體具有代表性和一般性，通過(guò)這段圓柱體的研究探求整個(gè)物體的情況，當(dāng)物質(zhì)隨時(shí)間或空間連續(xù)變化時(shí)，可以利用圓柱體模型求解相應(yīng)的物理量。下面從三方面介紹教師如何在高中物理教學(xué)中運(yùn)用柱體模型的有效性教學(xué)方法。

一、選取有代表性的圓柱體

物理柱體模型中所選的圓柱體必須有代表性，具有某些物理特征，如物體的受力特征、運(yùn)動(dòng)特征、狀態(tài)特征等，教師在教學(xué)過(guò)程中要滲透這個(gè)思想，選取的圓柱體要代表物體的哪個(gè)特征才能把柱體模型建立得更完美，更方便解題。如果可以通過(guò)代表物體不同性質(zhì)選取多個(gè)圓柱體，教師就要把這幾個(gè)圓柱體進(jìn)行對(duì)比，看哪個(gè)柱體模型比較簡(jiǎn)單。

以動(dòng)量定理應(yīng)用的一道經(jīng)典例題為例，有一宇宙飛船以v=10km/s在太空中飛行，突然進(jìn)入一密度為ρ=1×10-7kg/m的微隕石塵區(qū)，假設(shè)微隕石塵與飛船碰撞后即附著在飛船上。欲使飛船保持原速度不變，試求飛船的助推器的助推力應(yīng)增大為多少？（已知飛船的正橫截面積S=2m）解析：選在時(shí)間Δt內(nèi)與飛船碰撞的微隕石塵為研究對(duì)象，其質(zhì)量應(yīng)等于底面積為S，高為vΔt的直柱體內(nèi)微隕石塵的質(zhì)量，即m=ρSvΔt，初動(dòng)量為0，末動(dòng)量為mv。設(shè)飛船對(duì)微隕石的作用力為F。根據(jù)動(dòng)量定理，對(duì)這段柱體列式：FΔt=mv-0，求得F=20N。由牛頓第三定律可知，微隕石對(duì)飛船的撞擊力大小等于20N。因此，飛船要保持原速度勻速飛行，助推器的推力應(yīng)增大20N。這道題目中圓柱體的選取代表物體的運(yùn)動(dòng)特征。

二、選取與所求物理量相關(guān)聯(lián)的圓柱體

物理柱體模型中所選的圓柱體必須與所求物理量相關(guān)聯(lián)，如果所選的圓柱體模型與所求物理量毫無(wú)聯(lián)系，那么這個(gè)圓柱體的選取就是失敗的，就無(wú)法通過(guò)對(duì)柱體模型的研究解決相應(yīng)問題。教師要在教學(xué)過(guò)程中與學(xué)生共同選取圓柱體，告訴學(xué)生如何正確選取圓柱體，這樣學(xué)生在以后建立模型的過(guò)程中就知道從哪里下手，與哪個(gè)物理量相關(guān)聯(lián)選取的圓柱體更有利于柱體模型運(yùn)用，從而求解相應(yīng)的物理量。

下面以力的平衡中的一道例題為例，高血壓已成為危害人類健康的一種常見病，現(xiàn)已查明，血管變細(xì)是其誘因之一，為研究這一問題，可做一些簡(jiǎn)化和假設(shè)：設(shè)血液通過(guò)一定長(zhǎng)度血管時(shí)受到的阻力f與血液流速v成正比，即f=kv（其中k與血管粗細(xì)無(wú)關(guān)），為維持血液勻速流動(dòng)，在血管兩端需要一定的壓強(qiáng)差。設(shè)血管內(nèi)徑為d時(shí)所需的壓強(qiáng)差為Δp，若血管內(nèi)徑減為d時(shí)，為了維持在相同時(shí)間內(nèi)流過(guò)同樣多的血液，壓強(qiáng)差必須變?yōu)槎嗌伲勘绢}中一定長(zhǎng)度的血管即為我們所選的圓柱體，根據(jù)血液是勻速流動(dòng)的，說(shuō)明受力平衡，即血壓產(chǎn)生的壓力等于阻力，則在正常情況下有：△pS=F=f=kv…①血管變細(xì)后有：△p′S′=F′=f′=kv′…②因?yàn)樵谙嗤瑫r(shí)間內(nèi)流過(guò)的血液量不變，則有：S·v·t=S′v′t，即S·v=S′v′又因?yàn)镾=π（d/4），所以S/S′=V′/V=d/d′…③，①②③聯(lián)立，解得：△p′=kv′/s′=△psv′/vs′=（d/d′）4Δp。本題選取了與所求物理量壓強(qiáng)差相關(guān)的圓柱體，進(jìn)而利用力的平衡知識(shí)解決了這道復(fù)雜的題目。

三、選取簡(jiǎn)單的圓柱體

物理柱體模型中所選的圓柱體不要過(guò)于復(fù)雜，要盡量簡(jiǎn)單，這樣才容易解決問題。我們運(yùn)用柱體模型的目的是讓復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，如果所選圓柱體太復(fù)雜了，就會(huì)讓問題變得更復(fù)雜，反而無(wú)從下手，達(dá)不到運(yùn)用模型解決問題的效果。教師在教學(xué)過(guò)程中要引導(dǎo)學(xué)生盡量選取簡(jiǎn)單的圓柱體建立柱體模型。

再看一個(gè)磁場(chǎng)中的例子，通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到的安培力是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受到的洛侖茲力的宏觀體現(xiàn)，請(qǐng)利用安培力的計(jì)算公式F=BIL推導(dǎo)出洛侖茲力的計(jì)算公式F=Bqv。本題可以選取長(zhǎng)度為L(zhǎng)的一段柱體，柱體中單位體積內(nèi)自由電荷的數(shù)目為n，自由電荷的電荷量為q，定向運(yùn)動(dòng)的速度為v，設(shè)這些粒子在時(shí)間t內(nèi)全部通過(guò)了導(dǎo)體的橫截面S。即可通過(guò)電流和L推導(dǎo)出F=BIL=BnqvSL，F(xiàn)=F/N=Bqv。這道題選取的圓柱體很簡(jiǎn)單，通過(guò)安培力的公式直接推導(dǎo)出了洛侖茲力的公式。

以上內(nèi)容通過(guò)三個(gè)方面闡述了高中物理教學(xué)中運(yùn)用柱體模型的有效性教學(xué)方法，分別是：選取有代表性的柱體；選取與所求物理量相關(guān)聯(lián)的柱體；選取簡(jiǎn)單的柱體。柱體的選取至關(guān)重要，如果解決問題的過(guò)程中選取的物理模型不恰當(dāng)，就會(huì)增加解決物理問題的難度，挫傷學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性。教師在教學(xué)過(guò)程中要不斷尋找運(yùn)用柱體模型的有效性教學(xué)方法，爭(zhēng)取把建模思想滲透給每一個(gè)學(xué)生，讓學(xué)生在高考中取得滿意成績(jī)，讓學(xué)生提高物理學(xué)習(xí)水平、培養(yǎng)物理思維，為大學(xué)物理學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為想在物理學(xué)科中有所造詣的同學(xué)提供必要幫助。

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