在物理模型建構中發展學生的科學思維能力

蔣貴明

(甘肅省武威第六中學 733000)

新的考綱要求我們大力引導學生由“解題”向“解決問題”轉變.學生要能夠解決實際問題.而物理模型正是實際問題與物理問題之間的橋梁.物理模型是我們對物理現象的理想化處理,物理模型既來源于生活,又高于生活,它是對生活現象的抽象性概括,通過化繁為簡的方式,反映事物變化的特征與本質,構建事物的概念和體系 .物理模型的構建是物理學習的一種重要方式.如何更好的使學生通過閱讀審題,將實際問題在頭腦中形成清晰的圖景,并能夠建立起物理模型,并能夠運用物理規律來解決問題,是當前物理教師要考慮的一個重要問題.

一、物理模型在高中物理教學中應用的意義

1.支撐物理規律和理論

物理學習的最終目的就是探索自然界中廣泛存在的物質結構和運動形態.自然界的物質具有很強的復雜性,要對客體本身進行抽象化,去研究物理模型.著名物理學家法拉第對電磁感應現象進行了模型設計,形成了場的概念,愛因斯坦通過光子模型的建設,很好的解釋了光電效應,正是這些模型的建立給物理研究提供了巨大的便利,也實現了人類物理研究史的飛躍.

2.作出科學的預言

科學家在進行研究的過程中,經常將具體事物簡化為物理模型,不僅能夠解釋一些常見的現象,而且能夠作出科學的預言.比如海王星的發現就是通過對物理模型的研究而做出的預測,天文學家利用天王星軌道的攝動推測出海王星的存在與可能的位置,科學預言最終得到證實.海王星是利用數學預測而非有計劃的觀測發現的行星.

3.培養學生創造性思維

在高中物理教學過程中,構建物理模型的本質就是培養學生的創造性思維,物理思維的成果必須本身就具有獨創性和一定的研究價值,而物理模型正好適應了這一研究發展的需要.

二、高中物理教學中怎樣實現模型的建構

1.對物理概念建模

物理模型直接反映了物體的屬性和本質,是對事物的抽象概括,是人觀察和實驗的產物,任何概念的形成都離不開物理思維,比如人們能觀察天體運動,機械運動,動物運動等,如果不通過認真的比較和分析,找出運動的共同屬性,人們就不能設計出機械運動,不會產生機械運動的概念,所以物理建模是必須要研究物理原型,抓住影響事物的主要因素,構建理想化的物理模型,比如質點、理想氣體、點電荷、純電阻、理想流體等

2.對物理過程建模

高中所學習的物理過程大多是理想化的物理過程,包括勻速直線運動、自由落體、平拋運動,勻速圓周運動等等,它們從不同的角度去揭示了運動的本質屬性.

3.在習題教學過程中培養學生的建模能力

在高中階段,尤其是要面對高考的學生,每天都有面對大量的習題要做,物理問題往往是學生最頭疼的,但如果學生提高了構建模型能力,就既可以發展思維能力,還能大大提高效率.例如,在解決動量守恒定律問題時,我們可以這樣建模：

圖1

例如：如圖1所示,光滑水平面上有帶有1/4光滑圓弧軌道的滑塊,其質量為2m,一質量為m的小球以速度v0沿水平面滑上軌道.

問題1. 小球將如何運動,小球和圓弧軌道組成的系統動量守恒嗎？

問題2.小球能否從上端飛出？若能飛出,飛出時滑塊的速度為多大？能飛多高？

模型的特點：只要地面光滑,那么

(1)球和弧面的總動量在水平方向上總是守恒的.從弧面最右側端脫離后,球將與弧面保持水平方向上的相對靜止,所以最終會從同一點回落再次以切線方向進入弧面.

(2)球和弧面之間的關系屬于完全彈性碰撞,任何時候兩者所組成的總體,在互相作用以后機械能是與作用前一致的.球處在弧面最底端時兩者總動能最大,重力勢能最小；球處在弧面最右側端時,球與弧面水平方向速度相等,兩者總動能最小,重力勢能最大.

變式將原題模型變為：將兩個完全相同的圓弧模型A和B對接如圖2所示,放在光滑水平面上,A和B的傾斜面都是光滑曲面,曲面下端與水平面相切,讓物塊位于A的傾斜面上,距水平面的高度為h.物塊從靜止滑下,然后又滑上B.

圖2

問題1：物塊能否從B上滑出？

問題2：物塊在B上能否滑上相同高度？求物塊在B上能夠達到的最大高度.

在比如：在解決天體問題時,涉及天體系統時,我們可以這樣建模：

(1)雙星系統之“二人轉”模型

圖3

雙星系統由兩顆相距較近的星體組成,由于彼此的萬有引力作用而繞連線上的某點做勻速圓周運動(簡稱“二人轉”模型)，如圖3所示.雙星系統中兩星體繞同一個圓心做圓周運動,周期、角速度相等;向心力由彼此的萬有引力提供,大小相等.

(2)三星系統之“二繞一”和“三角形”模型

三星系統由三顆相距較近的星體組成,其運動模型有兩種:一種是三顆星體在同一條直線上,兩顆星體圍繞中間的星體做圓周運動(簡稱“二繞一”模型);另一種是三顆星體組成一個三角形,三星體以三角形的中心為圓心做勻速圓周運動(簡稱“三角形”模型).

總之,在高中物理學習的過程中,物理模型建構是一種學習的重要方式,能滿足高中階段學生認知發展的需要,又能夠根據已有的知識理論去拓展學生的思維,幫助學生去形成創新性的物理思維,將物理知識真正運用到實際生活當中,真正實現物理教育的根本目標,培養學生的物理思維,讓學生學會學以致用.