高中物理模型建構及教學方法探索

張春盛

摘要：建構模型有助于學生找到物理和生活之間的銜接點，而且還可以形象、直觀地呈現教學內容，使其掌握學習物理的竅門，增強解決物理問題的能力.基于此，筆者結合自身多年的教學經驗介紹常見的高中物理模型，同時分享一系列有效的教學方法，以供同行參考所用.

關鍵詞：高中物理；模型建構；教學方法

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2024）12-0083-03

基于高中物理學科核心素養視角來看，模型建構屬于科學思維的基本要素之一，也是高中學生物理學習中必備的能力之一，關系到他們科學思維能力的發展情況.高中物理教師需明確常見的物理模型，采用科學合理的教學方法指導學生建構物理模型，使其深層次研究物理現象和問題，訓練其科學思維能力.

1 高中物理常見模型的建構介紹

1.1 輕彈簧模型

高中物理教學中，彈簧是常見的物理儀器，對于彈簧相關的問題，通過構建輕彈簧模型，從力的角度和能量角度分析解題.從力的角度來說，彈簧可以產生拉力作用，還可以產生壓力作用，根據胡克定律F＝kΔx，當彈簧拉伸長度與壓縮長度相同時，其產生的作用力大小是相同的，方向則是相反的.彈簧發生形變，需要一定的時間，彈簧的彈力不能夠突然發生變化[1].從能量的角度來說，彈簧是一種能量儲存裝置，在物體壓縮彈簧或拉伸彈簧的過程中，彈簧儲存能量，在恢復原長的過程中，則是釋放能量.

1.2 輕桿、管道模型

本文所說的輕桿、管道模型是指在豎直平面內，物體做圓周運動.物體在輕桿或管道的最高點時，輕桿或管道可以對物體施加拉的作用，也可以對物體施加向外的支撐作用.根據物體做圓周運動需要的向心力F向＝mv2R，在最高點滿足mg＋F彈＝mv2R時，輕桿具有拉的作用，或管道則產生豎直向下的彈力作用.當滿足mg-F彈＝mv2R時，輕桿則具有支撐作用，或管道則產生豎直向上的彈力作用.物體在最高點時，其速度可以為0，此種情況與細繩連接物體在豎直平面做圓周運動不同，如果是輕繩，在最高點輕繩只能提供拉的作用，無法提供支撐的作用，因此在最高點處物體做圓周運動的臨界條件是vmin＝gR，單環模型和輕繩有相同的結論[2].

1.3 傳送帶模型

在高中物理教學中，傳送帶模型的難度比較大，主要分為水平傳送帶和傾斜傳送帶兩種情形.為了讓學生能夠理解和構建傳送帶模型，教師可以構建相應的模型，如圖1所示.

1.4 彈性碰撞模型

微觀粒子的碰撞，如果沒有引起碰撞粒子的能級躍遷，該碰撞就是彈性碰撞；宏觀物體之間的碰撞過程，如果不計碰撞過程中機械能的損失，也可以認為是彈性碰撞.彈性碰撞模型主要采用機械能守恒與動量守恒列方程組求解.設平面上有A、B兩個小球，質量和速度分別為m1、v1、m2、v2，且（v1＞v2），碰后速度分別是v′1與v′2，假如沒有能量損失，則根據動量守恒定律知m1v1＋m2v2＝m1v′1＋m2v′2，結合機械能守恒可得12m1v21＋12m2v22＝12m1v′12＋12m2v′22，由上述公式可得到v′1＝（m1-m2）v1+2m2v2m1+m2，v′2＝（m2-m1）v2+2m1v1m1+m2，很顯然兩個小球碰撞以后的速度情況與其質量大小有關.

2 高中物理模型建構的教學方法

2.1 借助情境優化導入，激發學生模型建構意識

高中物理教師在平常教學中需高度重視新課導入環節的設計，可采用情境導入法，即根據實際教學需求靈活使用實物、實驗、多媒體技術等方式來創設情境，引發他們進行模型建構的意識，引導學生主動建構物理模型[3].

比如在進行“圓周運動”教學時，教師先利用多媒體播放一些現實世界中的圓周運動現象，如水流星、過山車、飛行表演等.據此營造情境，把學生的注意力吸引起來，使其認真觀察、分析與討論這些現象，嘗試從中尋找以上運動的相似之處.之后，教師讓學生根據課堂內容，對案例中物體運動到最高點的受力情況進行分析，畫出受力分析圖，找出最高點的臨界速度，引領他們總結出共同特征，即為：物體在圓周運動中過最高點的臨界狀態mg＝mv2r，則v＝gr，當v≥gr時才可以進行完整的圓周運動，使其發現以上這些實例均是同一類型，即為豎直平面內的圓周運動輕繩模型.

2.2 緊密聯系實際生活，深入感知模型建構

物理模型的建構同樣需要得到生活素材的支持和輔助.高中物理教師應緊密聯系實際生活，結合所授內容有的放矢地引用生活中的物理現象，讓物理教學回歸現實生活，指引學生從生活現象中抽象出相應的物理模型，讓他們切實感知模型建構[4].

以“自由落體運動”教學為例，教師向學生展示生活中的現象，如雪花飄飛、屋檐滴水、果實落地、樹葉飄落等.引導學生認真觀察，結合生活常識一起探討這些運動現象的共同點，他們發現都是物體從空中自由下落.接著，教師設計問題：是否質量大的物體下落速度一定比質量小的大？組織學生分組制定實驗方案，以一元硬幣與A4白紙為研究對象，按照不同方式從同一高度自由下落，使其觀察和研究實驗現象，他們發現空氣阻力會影響到物體的下落速度.隨后教師可以拿出牛頓管，把空氣抽出，指引學生觀察，讓羽毛、紙片、硬幣等物體從同一高度下落，結果發現不同物體下落的快慢一樣，據此幫助學生構建自由落體運動模型.

2.3 借助任務驅動教學，理解模型建構過程由于模型建構較為枯燥、乏味，教師可采用任務驅動教學，借助任務的驅動作用，引導學生建構模型，理解模型構建的過程.對此，高中物理教師需根據實際教學需求安排任務，組織學生以小組為單位合作學習，一起思考、研究和解決問題，使其感受到建構物理模型的意義和趣味，逐步提升他們的建構物理模型能力和核心素養.

如在“電勢能”教學中，學生學習電場的分布和電勢能相關知識時難度較大，尤其是涉及變化過程更是很難理解.這時教師可以設置任務：請結合重力勢能相關知識展開學習，與電勢能的變化進行類比，以此降低知識的理解難度.讓學生將重力勢能與電勢能這兩種能量發生變化相似的過程聯系起來，引導他們建立一個用來解釋重力做功和重力勢能變化關系的模型，通過類比構建出相近的物理模型.

在任務驅動下，學習目的更為明確，想象空間得以拓寬，思維方式則變得更為深入和發散.

2.4 設計經典練習題目，強化模型建構練習

為了有效開展高中物理模型建構教學，不能只停留在理論說教方面，需要加強實踐活動開展，引入經典的物理題目，引導學生自主建構模型，解決物理問題，逐漸培養學生模型建構意識，使其體會到物理模型的實用性和價值.

例如，如圖2所示，A、B是一個足夠長的光滑水平軌道，在其右側與一個足夠長的傳送帶平滑連接（忽略此處能量損失），傳送帶的傾角θ是37°，左側與半徑R=0.05 m豎直光滑的半圓軌道相連.用輕繩連接的甲、乙兩個物體可以看作質點，質量分別是m1＝2 kg，m2＝1 kg，中間夾著一個被壓縮的彈簧，彈簧與物體間不連接，開始時兩個物體都靜止在水平面上，傳送帶與乙之間的動摩擦因數μ＝0.5，g=10 m/s2.

（1）把甲固定，傳送帶保持靜止狀態，將細線燒斷，乙在傳送帶上滑動的最遠距離是s＝0.3 m，求解彈簧壓縮時彈性勢能是多大？

（2）把乙固定，甲松開，將細線燒斷，甲進入到半圓軌道，那么甲運動至D點時對軌道的壓力是多大？

（3）傳送帶以速度v＝1 m/s順時針方向運動，甲、乙均不固定，將細線燒斷后，乙沿著傳動帶運動到最高點過程中摩擦產生的熱量是多少？

解析（1）此問題屬于彈簧模型，在彈簧恢復原長過程中，儲存的能量全部轉化成乙物體的動能.根據能量守恒定律有Ep＝12m2v21，結合牛頓第二定律有m2gsinθ＋μm2gcosθ＝m2a，根據運動學公式有s＝v212a，聯立式子代入相關數據后求得Ep＝3 J.

（2）根據能量守恒定律求出甲獲得的動能，即為Ep＝12m1v22，從點B到點D過程中根據機械能守恒定律得12m1v22＝2m1gR＋12m1v2D，設軌道對甲產生的彈力大小是N，根據牛頓第二定律得N＋m1g＝m1v2DR，結合牛頓第三定律，甲對軌道的壓力N′＝N，代入相關數據后求得N′＝20 N.

（3）結合兩個守恒定律能夠得到m1v甲＝m2v乙，Ep＝12m1v甲2＋12m2v乙2，可得v乙＝2 m/s，v乙＞v.共速之前據牛頓第二定律得m2gsinθ＋μm2gcosθ＝m2a1，解得a1＝10 m/s2.到共速之前的時間是t1＝v1-va1＝0.1 s，其相對位移Δx1＝v乙t1-12a1t21-vt1＝0.05 m.共速后以a2繼續做勻減速運動，則m2gsinθ-μm2gcosθ＝m2a2，解得a2＝2 m/s2，減速至速度為0時，經歷時間t2＝va2＝0.5 s，其相對位移Δx2＝vt2-v22a2＝0.25 m，那么運動至最高點過程中產生的熱量Q＝μm2gcosθ（Δx1＋Δx2）＝1.2 J.

3 結束語

總的來說，在高中物理教學活動中進行模型建構，不僅是對物理學科核心素養的有效提升，還是對原有教學模式的改進與突破.教師需結合物理學科知識特征設計教學方法，以理解常見物理模型內涵為前提，帶領學生通過建構模型學習相應的理論知識與解題技能，使其深入探索物理學科的奧秘，讓他們的整體學習效果更佳.

參考文獻：

[1]?王君.高中物理教學中物理模型的作用及構建策略[J].數理天地（高中版），2023（02）：8-10.

[2] 薛圣潔，王永超.高中物理模型建構教學中存在的問題及解決方案[J].第二課堂（D），2022（01）：90-91.

[3] 易立華.高中物理教學中學生建構物理模型能力的培養[J].新教育，2022（10）：56-57，66.

[4] 熊藝.高中物理學科中創設情境培養學生的模型建構能力[J].上海課程教學研究，2022（09）：11-15.

［責任編輯：李璟］