高中物理模型構(gòu)建及其在解題中的應(yīng)用

摘 要：近年來，模型構(gòu)建法在數(shù)理類學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用越來越普遍，對學(xué)生思維能力與解題能力的培養(yǎng)有著重要作用.由此證明，模型構(gòu)建是一種有效的教學(xué)方法.現(xiàn)本文就高中物理模型構(gòu)建及其在解題中的應(yīng)用進(jìn)行探討.

關(guān)鍵詞：高中物理;模型構(gòu)建;解題;應(yīng)用

中圖分類號：G632????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A????? 文章編號：1008-0333（2020）34-0077-02

收稿日期：2020-09-05

作者簡介：朱舉烈（1968.9-），男，山東省臨沂人，中學(xué)高級教師，從事高中物理教學(xué)研究.

物理作為高中教育階段的一門重要課程，具有許多抽象繁雜的知識原理，學(xué)習(xí)難度大.傳統(tǒng)教學(xué)方法只是一味強(qiáng)調(diào)學(xué)生進(jìn)行概念與定律的死記硬背，未曾要求學(xué)生去真正理解知識內(nèi)容，因而使得學(xué)生對物理知識的理解較淺，無法做到靈活運用.模型構(gòu)建是新課改實施以來的一種新型教學(xué)方法，高中物理的研究對象、研究過程均可看作是理想化的物理模型，包括平拋運動、圓周運動及勻強(qiáng)磁場等.教師可引導(dǎo)學(xué)生在分析與解答一些題目時通過構(gòu)建相應(yīng)模型，提取出關(guān)鍵信息，抓住問題本質(zhì)，實現(xiàn)問題的有效解答.

一、物理模型構(gòu)建方法

1.觀察與實驗

對自然現(xiàn)象加以認(rèn)識的重要方法便是觀察與實驗，強(qiáng)調(diào)學(xué)生主動學(xué)習(xí)知識的過程，通過讓學(xué)生觀察與實驗，可在提升學(xué)生思維能力與動手能力的同時，引導(dǎo)其做到定量、定性各種現(xiàn)象，并對研究對象進(jìn)行明確.在觀察與實驗期間，學(xué)生要認(rèn)識與注意到研究對象及其他物體間的變化、聯(lián)系與區(qū)別，進(jìn)行其中主體的抽象，構(gòu)建出清晰明了的時空情境，構(gòu)建合理的物理模型，從而推動物理教學(xué)活動的順利開展.

2.分析與綜合

在構(gòu)建模型過程中，“分析”具體指由整體到局面，從面帶點的思維方式，需要在考慮問題時將分解成不同的部分;而“綜合”恰巧與之相反，體現(xiàn)了一種由局部到整體的思維方式，就是將不同的對象個體通過整合而形成一個完整的個體.同時學(xué)生的建模能力是基于“抽象”而言的，而“抽象”就是指對同類事物的本質(zhì)特征的總結(jié)，核心在于抓住問題本質(zhì).當(dāng)在處理具體的物理問題時，需要教師引導(dǎo)學(xué)生展開分析與綜合，做到由易到難、由表及里，從而構(gòu)建合適的模型.

3.類比與聯(lián)想

“類比”指當(dāng)物理問題研究對象或物理過程十分相似時，假設(shè)其結(jié)論、規(guī)律也具有相似性的一種思維模式.當(dāng)采用類比法解答物理題目時，便可利用熟悉的物理過程或是對象對陌生的物理過程或?qū)ο筮M(jìn)行替代.“聯(lián)想”要求在類比的基礎(chǔ)上還應(yīng)進(jìn)行相關(guān)物理知識的聯(lián)系，思考與之相關(guān)的物理知識及相應(yīng)的物理變化過程，使問題解決方向更為明確，從而建立相應(yīng)模型.? 二、高中物理模型在解題中的應(yīng)用

1.構(gòu)建行星模型

行星運動屬圓周運動范疇，為當(dāng)中的典型代表，近年來在高考中的考察頻率越來越高.為幫助學(xué)生更為準(zhǔn)確且快速的解答題目，教師應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)其構(gòu)建行星模型.學(xué)生能否正確構(gòu)建行星模型的關(guān)鍵點，便是學(xué)生是否實現(xiàn)了萬有引力公式、開普勒第三定律等相關(guān)內(nèi)容的熟練掌握，接下來再結(jié)合具體題目情景求解.

例1 月亮環(huán)繞地球運動的軌道半徑約為地球半徑的60倍，其運行周期約為27天，現(xiàn)應(yīng)用開普勒定律計算：在赤道平面內(nèi)離地面多高時，人造地球衛(wèi)星可隨地球一起轉(zhuǎn)動，就像其停止在空中一樣？若兩顆人造衛(wèi)星繞地球做圓周運動，周期之比為1∶8，則他們軌道半徑是多少？（已知地球半徑為6400km）

分析 該題目主要考察的是開普勒第三定律的應(yīng)用，首先需要學(xué)生對題目所描述的場景做到深刻理解，接下來在進(jìn)行模型的構(gòu)建時，我們可知月亮和地球同步衛(wèi)星都是地球的衛(wèi)星，設(shè)地球半徑為R，周期T=24h，進(jìn)而再根據(jù)開普勒第三定律構(gòu)建解題模型：

（R月/R同）3=（T月/T同）2

[60r/（r+h）]3=（27/1）2=（33）2=（32）3

[60r/（r+h）]3=93

60r/r+h=9

h=51r/9=51×6400km/9≈36266.6km

2.構(gòu)建磁偏轉(zhuǎn)模型

在電磁復(fù)合場偏轉(zhuǎn)運動相關(guān)知識的考查當(dāng)中，微粒屬于重要考察內(nèi)容，在高考試卷的選擇題與綜合題中均有涉及.該類題目難度較大，要求學(xué)生應(yīng)具有較高的綜合素質(zhì)，并且教師在構(gòu)建模型過程中也需要面對較多復(fù)雜的情況.在構(gòu)建磁偏轉(zhuǎn)模型的過程中，教師要幫助學(xué)生全面分析題目情景，同時遵循具體的建構(gòu)步驟來指導(dǎo)學(xué)生來順利完成模型的構(gòu)建.

例2 如圖1，在一水平放置的平板MN的上方有勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為B，磁場方向垂直于紙面向里.許多質(zhì)量為m帶電量為+q的粒子，以相同的速率V沿位于紙面內(nèi)的各個方向，由小孔O射入磁場區(qū)域.不計重力，不計粒子間的相互影響，下列圖中陰影部分表示帶電粒子可能經(jīng)過的區(qū)域，其中R=mvBq.哪個圖是正確的（? ）.

分析 通過分析題目，我們可知帶電粒子都是以垂直的狀態(tài)進(jìn)入到勻強(qiáng)磁場中的，即將要做圓周運動.

接下來就是模型的構(gòu)建，需要教師幫助學(xué)生確定圓心，畫出粒子的運動軌跡，這是做這一類題的關(guān)鍵.在畫粒子運動軌跡的過程中，我們發(fā)現(xiàn)因為存在眾多由不同方向而射入的粒子，且入射速度相同，所以圓周運動半徑也相等.而只要將當(dāng)中典型的、特殊的幾個沿不同方向運動的粒子的運動軌跡畫出來，再通過觀圖2察，便可得出全部圓周的覆蓋區(qū)域，就是該題的答案（如圖2）.在圖中我們可看到在區(qū)域的邊緣左方是圓心為O、半徑為以2R的圓，右方是粒子從O點沿MN方向射入的具體軌跡.故選A.

3.構(gòu)建彈簧模型

對于高中生來講，有關(guān)彈簧的物理題目十分常見.但就實際情況來看，仍有一些學(xué)生無法全面掌握彈簧形變的相關(guān)內(nèi)容，表現(xiàn)為對物體的受力方向、彈簧的受力大小等知識點的判斷失準(zhǔn).對此，在幫助學(xué)生解答彈簧類型的物理題目時，教師便應(yīng)進(jìn)行彈簧模型的構(gòu)建，引導(dǎo)學(xué)生對彈簧的受力過程進(jìn)行分析.

例3 如圖3，輕彈簧下端固定在水平桌面上，上端放有物塊P，系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài).現(xiàn)用一豎直向上的力F作用在P上，使其向上做勻加速直線運動，以x軸表示P離開靜止的位移，在彈簧恢復(fù)原長前，下列表示F和x之間的關(guān)系圖像可能正確的是（? ）.

圖3

分析 要想順利進(jìn)行彈簧模型的構(gòu)建，前提便需要學(xué)生對彈簧的實際受力情況進(jìn)行明確.在完成題目的分析后，我們得知彈簧最開始是處在壓縮狀態(tài)的，并且彈簧的彈力同物體P的重力相互平衡，即F彈力=mg.物體P受F作用作向上的勻加速直線運動時，滿足了F+F′彈力-mg=ma，當(dāng)中若a、m處于不變的狀態(tài)，而彈簧卻逐漸伸長，彈力便會越來越小.因此，F(xiàn)值需對彈簧逐漸變小的彈力進(jìn)行彌補(bǔ)，才可確保P作勻加速直線運動.并且在X=0時，彈簧的彈力同物體P的重力相互平衡，這個時候的加速度都是由彈簧F提供，因為在X=0時，彈力F并非為0，即應(yīng)當(dāng)選A.

總的來說，隨著素質(zhì)教育與新高考改革的不斷深入，高中物理教學(xué)面臨新的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn).在新的教育背景下，高中物理教師應(yīng)當(dāng)積極運用構(gòu)建物理模型的方法，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合具體的題目來進(jìn)行模型的構(gòu)建，幫助學(xué)生分析題目情景，并明確題目中的主次要素，最終擁有清晰的解題思路.同時教師也應(yīng)適當(dāng)引入一些高考真題，增強(qiáng)學(xué)生的解題體驗，使其進(jìn)一步了解解題的過程，逐漸掌握物理模型精髓，逐漸提升其物理學(xué)科核心素養(yǎng).最后，學(xué)生也要加強(qiáng)學(xué)生模型構(gòu)建能力的培養(yǎng)，使其可自主解決一些物理問題，實現(xiàn)對物理知識的有效運用.

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