高中物理教學中物理模型的構建與應用

張珍珠

【內容摘要】高中物理教學當中涉及許多比較抽象的知識和原理，讓學生在學習和解題時常常無從入手，因此教師在教學當中很有必要通過構建和應用物理模型來進行教學。文章主要介紹了物理模型的含義和構建原則，并分析了在高中物理教學當中構建和應用物理模型的意義和具體應用。

【關鍵詞】高中物理 物理教學 物理模型 構建

一、前言

物理是高中教學當中非常重要的一門學科，但其抽象的知識原理也讓許多學生覺得比較難懂難學，甚至厭惡物理學習。因此在高中物理教學中應用物理模型輔助教學，能幫助學生理解物理問題，同時能夠更直觀的解決物理問題，繼而提高學生學習物理的興趣。

二、物理模型的含義和構建原則

（一）含義簡介

構建物理模型指的是在物理學當中把問題做簡化，繼而構建起來能夠解決實際問題的一種比較有效的方式，也可以稱作是物理學的思想方法。我們可以將其歸納為：把生活和自然界當中存在的問題做提煉之后把問題抽象成一種物理模型，以實物或畫圖形式直觀的表達認識對象的特征，然后解出答案并驗證其是否合理，將構建的物理模型所得到的結果來解釋現實中存在的問題并對這一物理知識進行應用就是物理建模。

（二）構建原則

構建物理模型能夠具體的反映出具體事物其物理上的本質，然后抽取出其原型當中存在的主要物理特征，再使用科學知識以及物理試驗數據作為模型構建的支撐。所以，我們在高中物理教學當中構建和應用物理模型就一定要堅持科學合理這一基本原則，絕不能隨意構建。總的來說，我們在構建物理模型時必須遵循的原則包括下面幾點：

第一，模型要能夠反映出研究對象其本質上的特征。質點力學中建立的第一個、也是最簡單的物理模型是質點。如果一個物體自身的線度與它的運動范圍的線度相比微不足道，或者在所研究的問題中允許忽略物體各部分運動狀態的差異，這樣的物體可按質點模型處理，否則就要按其實際形狀討論。同時構建電場和磁場等相關的物理模型時也需要遵循這一原則，只有這樣我們才能確保在教學當中能夠通過物理模型的構建來讓學生可以深入理解相關概念和原理并真實的反映出事物的原型。

第二，構建模型時要以實驗作為依據。構建物理模型絕不可以隨意進行，其構建的基礎是科學知識以及物理實踐。因此構建物理模型時一定要以實驗為依據，所有的修改和適用范圍等都一定要堅持這一基本原則。例如牛頓第一定律是牛頓在伽利略和笛卡兒等人的實驗和論證的基礎上進一步總結和科學推論而得出的。

三、高中物理教學中構建物理模型的意義和具體應用

（一）意義

1.幫助學生理解物理含義和原理。在高中物理教學當中構建和應用物理模型，要科學分析和歸納物理現象，通過抓取物理現象的本質要素，去除次要因素從而構建出物理模型。同時還要通過物理量來量化，讓物理概念之間存在的聯系上升為物理規律。在構建物理模型這一過程中讓學生參與到其中，這不但能夠讓學生獲取知識，同時也讓他們對科學構建研究問題的方法有了更深層次的認識，提高教學效果。

2.提高學生的創造性思維水平。構建物理模型的過程實際上就是一個創造過程，通過對問題的觀察和研究分析之后，通過思維來創造一個理想化的模型。所以教師在課堂當中引導學生構建物理模型不但能夠讓學生加深對知識的理解和鞏固，同時還可以激發學生的創新能力和學習積極性。

（二）具體應用

1.在實驗教學當中構建和應用物理模型不僅能夠讓學生更直觀的理解物理學知識，同時還能夠培養學生構建物理模型的能力。由于在現實中空氣的摩擦或者接觸面的摩擦總是存在的，故大多數的物理學實驗都是在模擬與之相關的物理場景或過程，通過抓取物理現象的本質要素，去除次要因素從而構建出物理模型。由此可見在實驗教學當中構建和應用物理模型是有其優越性的。

比如我們在教學章節“單擺”當中，教師希望學生能夠更好的研究單擺的運動，就可以通過讓學生嘗試構建相關的物理模型來加深理解。老師可以把學生分成多個小組，讓其探討分析物理模型的構建方式，通過探討之后可以將分析結果歸納為以下幾點：

首先，假設在一定的場合和條件下，認定小球的擺角小于5°時，其振動周期與小球的質量、大小是無關的；其次，準備一組兩個懸線一樣但質量不等的小球；一組兩個質量相等但懸線不一樣的小球；一組兩個懸線一樣且質量相等的小球；第三，進行實驗，讓第一組與第二組的擺角大于5°，第三組的擺角則小于5°，然后觀察情況；第四，學生將觀察到的現象做下記錄并找出規律，并使用相關理論進行分析，把現象問題抽象化；最后，讓學生抓住模型構建的主要因素，然后分小組討論和單擺運動類似的現象，同時做比較和實驗。

2.解答問題時應用物理模型的構建。高中物理知識的原理都比較抽象和簡單，但是不少學生在學習完原理之后卻很難將其應用到解題當中。因此，在學生積累了一定的知識之后，老師通過教授典型的習題來提高學生物理模型構建的能力。

比如我們可以通過以下實例來構建物理模型，幫助學生解題。已知在水平光滑桌面上放上兩個物體A、B，mA= 1kg，mB=2kg，兩個物體之間使用不能伸長的細線連著，細線的質量不計，兩物體分別受到水平向左的拉力F1=10N以及水平向右的拉力F2=40N的作用，求出兩物體間細線的拉力是多少。

由題可知，因為細線不能伸長，同時兩物體有共同的加速度，所以在這個問題當中我們可把兩物體看成是一個整體來作答。兩物體的共同加速度為：

因為物體A受到向右拉力F以及F1拉力作用，則F-F1=mAa，即F=F1+mAa= 10+1×10=20N。

雖然這個問題比較基礎，卻很典型，因而在應用整體模型上非常合適，尤其是在解答力學問題當中都需要應用到這種整體和局部相結合的理念，如果學生能夠巧妙的運用模型構建的話則會使許多問題變得清晰明了，解答問題也會更容易。

3.和數學模型相結合。高中物理和數學有著密切聯系，兩者不論在知識還是解題方法上都有聯系。因此在高中物理教學當中構建并應用數學模型是非常常見且有效的方式。構建數學模型不但能夠對相關的物理知識進行簡潔明了的闡述，而且還可以讓學生的抽象思維變具體。下面我們就通過以下例子來說明。

如圖所示，邊界OA與OC之間分布有垂直紙面向里的勻強磁場，邊界OA上有一粒子源S。某一時刻，從S平行于紙面向各個方向以某一速率發射出大量比荷為q/m的同種正電粒子，經過一段時間有大量粒子從邊界OC射出磁場。已知磁場的磁感應強度大小為B，∠AOC=60°，O、S兩點間的距離為L，從OC邊界射出的粒子在磁場中運動的最短時間t= ，忽略重力的影響和粒子間的相互作用，則粒子的速率為（ ）

由題可知：粒子在磁場中運動做勻速圓周運動，所有粒子的初速度大小相同，軌跡半徑相同，弦越短，軌跡的圓心角越小，運動時間越短。入射點是S，出射點在OC直線上，出射點與S點的連線為軌跡的一條弦。作ES⊥OC，如圖3所示，則ES為最短的弦，粒子從S到E的時間即最短。由題知，粒子運動的最短時間等于t= ，根據洛倫磁力充當向心力知粒子運動的周期T= ，故該粒子運動軌跡的圓心角θ=120°。已知OS=L，由幾何知識求得ES= L，粒子運動的軌跡半徑R= L，又根據公式R= ，可求得v= 。故選A。

由以上例子可看出構建數學模型不但能夠對相關的物理知識進行簡潔明了的闡述，而且還可以讓學生的抽象思維變具體。

4.課堂教學中應用物理模型。高中的物理教學當中經常需要用到物理模型，通過對物理模型巧妙合理的構思設計出便于學生理解和記憶的物理模型，以類比、等效的方式讓學生在學習高中物理中面對一些陌生的原理和問題時能夠通過模型和以前熟悉的物理模型相對應，繼而起到啟發，更容易理解的作用。

比如在鞏固學生對電荷場強和場的疊加原理知識的時候，老師可以通過下面這道題來加強學生對該知識的理解和應用。

設在無限大的金屬板的上面距離板塊d處有正電荷，其電量為Q，求金屬板表面的正電荷正下方P點場強大小是多少。

如果使用普通的思路來解這道題是比較難的，學生甚至無從下手，因為P點的場強是電荷Q和板上感應負電荷在這一處所產生的場強的疊加值。但因為高中學生還沒有學過怎么計算板上的感應負電荷于P附近產生的場強值，同時也找不出相對應的物理模型能夠和圖例匹配。這個時候我們就可以設想并構建一個和平面鏡成像相似的“鏡面對稱”的模型，就是說假設在金屬板的下面和正電荷Q相對稱的地方有一個負電荷，如下圖所示，那么P點周圍的場強就可以等效為這一對正負電荷所產生的場強值的和，這樣一來就很容易解開這道題了。根據點電荷的場強公式以及場的疊加原理我們可得出其值為：E=2kQ/d2。

四、結束語

在高中物理教學當中構建和應用物理模型能夠幫助學生分析和解決許多實際問題，因此老師在教學當中應該積極培養學生構建物理模型的意識和能力，讓學生在了解模型構建的原則的基礎上，確保模型構建的科學和準確性。同時，老師在教學當中還應該經常通過模型構建來解題，讓學生在過程參與當中鞏固知識，拓寬思維能力。

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（作者單位：福建省寧德市周寧縣第二中學）