建模思想在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用初探

(江蘇省宜興市陽(yáng)羨高級(jí)中學(xué)，江蘇 宜興 214200)

建模思想在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用初探

張燕尹聰

(江蘇省宜興市陽(yáng)羨高級(jí)中學(xué)，江蘇 宜興 214200)

建模是對(duì)研究對(duì)象、物理過程和物理規(guī)律等進(jìn)行模型化處理的過程，本文探討了建模思想在高中物理教學(xué)中的作用、意義和構(gòu)建物理模型的常用方法，結(jié)合實(shí)例，展示了建模思想在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用。

高中物理；建模思想；物理教學(xué)

建模是指在研究客觀存在問題時(shí)，透過問題的表象來(lái)闡明事物的本質(zhì)，建立理想模型解決實(shí)際問題。吉爾伯特(Gilbert)認(rèn)為物理學(xué)是研究物理現(xiàn)象和規(guī)律的自然科學(xué)，而科學(xué)本身是建模過程。為了弄清研究中的物理問題，我們往往需要忽略一些次要因素，抓住主要因素，建立物理模型來(lái)解決問題。

1 建模思想在高中物理教學(xué)中的作用和意義

1.1 幫助學(xué)生明晰問題

在高中物理學(xué)習(xí)過程中，有很多學(xué)生能理解知識(shí)但不會(huì)做，其原因是對(duì)知識(shí)的理解不夠，分析問題不到位。通過建模可以使學(xué)生分析和理解物理問題的能力越來(lái)越強(qiáng)，尤其是對(duì)于復(fù)雜而抽象的問題，模型的建立可以簡(jiǎn)化問題，抽象具體。比如天體運(yùn)動(dòng)，我們沒有看到物體如何運(yùn)動(dòng)，但我們知道有些天體運(yùn)動(dòng)軌跡是橢圓，其偏心率很小，則可以簡(jiǎn)化為勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型來(lái)進(jìn)行處理，這樣更方便我們理解天體運(yùn)動(dòng)。

1.2 提高學(xué)生解決問題的能力

一個(gè)物理模型要經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)、總結(jié)和改進(jìn)，從而得出正確的模型。在實(shí)際過程中學(xué)生可以體會(huì)到科學(xué)的奧秘與探索的艱辛。這樣不僅可以提高學(xué)生的應(yīng)變能力，還能提高他們的邏輯思維能力和運(yùn)用科學(xué)方法解決問題的能力。

1.3 提高學(xué)生解決未知事物的創(chuàng)新能力

物理建模是一個(gè)探究未知規(guī)則的過程，在這個(gè)過程中沒有捷徑，是一個(gè)新的創(chuàng)造過程。這樣開放思維的探索過程對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)非常有利，同時(shí)在老師的幫助指導(dǎo)下，每一次成功，能讓學(xué)生體驗(yàn)到學(xué)習(xí)的樂趣，而且還可以提高他們學(xué)習(xí)物理的信心和興趣。

2 構(gòu)建物理模型的常用方法

在模型教學(xué)中，教師首先要說明建立模型是研究問題的有效方法。其次，有必要明確每個(gè)模型是如何通過抽象建立的，每個(gè)研究對(duì)象被抽象成相應(yīng)的模型。至于應(yīng)該采用什么樣的建模方法取決于問題本身的性質(zhì)和研究的需要，通過忽略次要因素、抓住主要因素，使研究對(duì)象轉(zhuǎn)化為熟悉而簡(jiǎn)單的物理模型，然后運(yùn)用數(shù)學(xué)等方法使問題得以順利解決，常用方法如下。

2.1 科學(xué)抽象法

科學(xué)抽象是提取事物的主要方面或?qū)傩裕雎砸恍┐我蛩亍＠纾簭哪暇┑奖本┑牧熊囘\(yùn)行過程中，為了便于研究，忽略其長(zhǎng)度，列車可以抽象成質(zhì)點(diǎn)模型；在研究物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們要考慮接觸面光滑的問題；我們注意到，下落物體所受空氣阻力相對(duì)于重力是非常小的，可以忽略不計(jì)，所以可抽象成自由落體運(yùn)動(dòng)模型。

2.2 微元法

在研究物理學(xué)中的一些復(fù)雜問題時(shí)，有時(shí)需要研究許多小單元，在這個(gè)過程中，小的變化通過積累，可得到整個(gè)研究對(duì)象或物理規(guī)律變化的全過程。例如：x=vt位移公式用于研究勻速直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移和時(shí)間的關(guān)系時(shí)，教師可以讓學(xué)生畫出v-t圖像，無(wú)限分割成許多小的部分，每段時(shí)間都很短，因此可以近似把每段看成是勻速直線運(yùn)動(dòng)，我們可以通過面積求和，求出勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移，而且還可以擴(kuò)展到變速直線運(yùn)動(dòng)。

2.3 等效替代法

在高中物理教學(xué)中，許多教師都發(fā)現(xiàn)了這樣一種現(xiàn)象，有的學(xué)生在學(xué)習(xí)物理概念和規(guī)律時(shí)認(rèn)識(shí)不到位，雖然物理知識(shí)比較簡(jiǎn)單，但學(xué)生不能表達(dá)清楚。在許多物理問題中所包含的物理模型是相似的，如果他們?cè)诒举|(zhì)上是相同的，我們可以通過分析，找出它們的共性，從而將問題簡(jiǎn)化。等效方法可以簡(jiǎn)化復(fù)雜的物理問題，給我們帶來(lái)極大的方便。

2.4 類比法

類比是比較相同或相似的事物，根據(jù)兩個(gè)事物的相似性推斷出它們?cè)谄渌矫婵赡苡蓄愃频膶傩浴?/p>

3 建模思想在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 條件模型

物理模型是建模思想的產(chǎn)物，因?yàn)樗窃谝欢l件下構(gòu)建的，所以只能在一定條件下使用。物理模型的建立可以簡(jiǎn)化復(fù)雜問題。當(dāng)然，實(shí)際事物作為理想模型來(lái)處理，要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析。

(1) 研究對(duì)象的模型化

質(zhì)點(diǎn)模型、原子模型、理想氣體模型等均屬“對(duì)象模型”。它的特點(diǎn)是將研究對(duì)象簡(jiǎn)化成某種理想模型，從而使問題簡(jiǎn)化、直觀、形象。

(2) 條件的模型化

物理過程總是在一定條件下發(fā)生，將條件理想化以便突出主要的物理現(xiàn)象與過程，這便是條件模型方法，例如“光滑”“均勻”“輕質(zhì)”等均屬條件模型。

例1：用r表示兩個(gè)分子間的距離，EP表示兩分子間相互作用勢(shì)能，當(dāng)r=r0時(shí)兩分子間斥力等于引力。設(shè)兩分子距離很遠(yuǎn)時(shí)EP=0，則( )。

A. 當(dāng)r>r0時(shí)，EP隨r的增大而增加

B. 當(dāng)r

C. 當(dāng)r>r0時(shí)，EP不隨r而變

D. 當(dāng)r=r0時(shí)，EP=0

解析：我們將研究對(duì)象——相互作用的兩分子抽象為一個(gè)輕質(zhì)彈簧聯(lián)系著兩個(gè)小球的物理模型，當(dāng)彈簧不伸長(zhǎng)時(shí)，即相當(dāng)于兩分子距離r=r0，引力等于斥力；若r>r0時(shí)，相當(dāng)于拉伸彈簧，顯然勢(shì)能增加；若r

3.2 過程模型

過程模型是將復(fù)雜的過程抽象為簡(jiǎn)單的物理過程模型。例如勻速直線運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)等均屬過程模型。

圖1

例2：如圖1所示，A、B棒長(zhǎng)均為1m，A的下端距離B的上端S=20m。若A棒自由下落的同時(shí)，B棒以初速度v0=20m/s豎直向上拋出，求兩棒從開始相遇到分離的時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

在建立物理模型的過程中，應(yīng)根據(jù)不同的實(shí)際問題，建立正確的模型，從而實(shí)現(xiàn)問題的簡(jiǎn)化。解決物理問題包括：確定研究對(duì)象，忽略次要因素，總結(jié)物理規(guī)律，建立物理模型。總之，建模思想可以幫助學(xué)生運(yùn)用知識(shí)，提高他們解決問題的能力。

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