關(guān)鍵能力視角下的物理模型建構(gòu)

摘 要：物理模型建構(gòu)是引領(lǐng)學(xué)生深入物理世界，增強(qiáng)其創(chuàng)新思維的關(guān)鍵路徑.文章從核心能力的視角出發(fā)，對物理模型建構(gòu)的教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行了深入挖掘.通過超重和失重模型、平面圓周運(yùn)動(dòng)模型案例，詳細(xì)探討了如何在多樣化的物理情境中巧妙運(yùn)用物理知識(shí)，高效實(shí)施模型建構(gòu)活動(dòng).旨在為教師提供基于關(guān)鍵能力視角進(jìn)行物理模型建構(gòu)的實(shí)踐指導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)習(xí)的成效提升和創(chuàng)新思維能力的發(fā)展.

關(guān)鍵詞：建構(gòu)物理模型；物理能力；例題

中圖分類號：G632"" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"" 文章編號：1008-0333（2024）21-0097-03

在物理學(xué)中，模型建構(gòu)是一種重要的研究方法.通過構(gòu)建物理模型，我們可以更深入地理解物理現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律.在關(guān)鍵能力的視角下，物理模型的建構(gòu)不僅要求我們具備扎實(shí)的物理基礎(chǔ)知識(shí)，還需要我們具備一系列關(guān)鍵能力，如分析問題的能力、抽象思維的能力、創(chuàng)新思維的能力等[1].這些關(guān)鍵能力共同作用于物理模型的建構(gòu)過程，使我們能夠更好地理解和描述物理世界，這對于學(xué)生的全面發(fā)展具有積極的影響[2].

1 建立物理模型步驟（如圖1）

2 關(guān)鍵能力與超重、失重模型

2.1 關(guān)鍵能力與超重、失重模型的構(gòu)建

2.1.1 理解基本概念和原理的能力

（1）理解重力、支持力、拉力以及加速度等基本概念，知道它們之間的關(guān)系和相互影響.

（2）理解牛頓第二定律（F=ma），知道力和加速度之間的關(guān)系，并能應(yīng)用到超重和失重的情境中.

2.1.2 分析受力情況的能力

（1）能夠正確分析物體在超重或失重狀態(tài)下的受力情況，包括重力、支持力（或拉力）以及其他可能存在的力.

（2）能夠理解這些力是如何影響物體的加速度的.

2.1.3 建立數(shù)學(xué)模型的能力

（1）能夠根據(jù)受力情況和牛頓第二定律建立物體的運(yùn)動(dòng)方程，將物理問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題.

（2）能夠運(yùn)用代數(shù)和微積分等數(shù)學(xué)知識(shí)解運(yùn)動(dòng)方程，得出物體的加速度、速度、位移等物理量的表達(dá)式.

2.1.4 運(yùn)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的能力

（1）能夠設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證所建立的超重、失重模型的正確性.

（2）能夠正確地解讀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將其與理論預(yù)測進(jìn)行比較，從而評估模型的準(zhǔn)確性.

2.1.5 邏輯推理和問題解決能力

（1）能夠運(yùn)用邏輯推理分析物理現(xiàn)象，理解超重和失重的本質(zhì)和影響因素.

（2）能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能解決實(shí)際問題，如構(gòu)建能夠描述物體在超重和失重狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)的模型.

2.1.6 抽象思維和創(chuàng)新能力

（1）能夠?qū)⒕唧w的超重和失重現(xiàn)象抽象為一般性的物理模型，把握其內(nèi)在規(guī)律.

（2）能夠在已有知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新性的思考和探索，如改進(jìn)模型或提出新的理論解釋.

綜上所述，構(gòu)建超重、失重模型時(shí)，主要運(yùn)用了理解基本概念和原理、分析受力情況、建立數(shù)學(xué)模型、運(yùn)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、邏輯推理和問題解決以及抽象思維和創(chuàng)新能力等物理能力.這些能力的綜合運(yùn)用對于物理學(xué)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐都非常重要[3].

2.2 失重和超重模型例題分析

超重與失重模型在各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如航天器、深海探測、乘坐電梯、飛機(jī)起飛與降落、過山車運(yùn)動(dòng)和物體在沿斜面加速上升或減速下降等.

例題 我國全海深潛載人潛水器“奮斗者”號的最大作業(yè)深度達(dá)到10 909米.在某次深潛中，潛水器向下做直線運(yùn)動(dòng)，先做加速度減小的加速下潛，后維持勻速下潛一段時(shí)間，最后再減速至靜止.下列說法正確的是（" ）.

A．加速下潛階段，潛水器中的潛航員處于失重狀態(tài)

B．潛水器的加速度減為0時(shí)，潛水器中的潛航員處于超重狀態(tài)

C．潛水器在加速下潛時(shí)的加速度方向與速度方向可能相反

D．潛水器的速度變化量方向可能與加速度方向相反

解析 加速下潛階段，加速度豎直向下，所以潛水器中的潛航員處于失重狀態(tài)，故A正確；潛水器的加速度減為0時(shí)，潛水器的受力平衡，所以潛水器中的潛航員既不處于超重狀態(tài)也不處于失重狀態(tài)，故B錯(cuò)誤；潛水器在加速下潛時(shí)，加速度方向和速度方向相同，都是豎直向下，故C錯(cuò)誤；速度變化量方向一定與加速度方向相同，故D錯(cuò)誤.故選A.

如果潛水器加速下潛，潛航員會(huì)感受到失重狀態(tài)，因?yàn)榇藭r(shí)加速度方向向下，與重力方向一致.相反，如果潛水器加速上浮，潛航員會(huì)感受到重狀態(tài)，因?yàn)榇藭r(shí)加速度方向向上，與重力方向相反.

3 關(guān)鍵能力與平面圓周運(yùn)動(dòng)模型

3.1 關(guān)鍵能力與平面圓周運(yùn)動(dòng)模型的構(gòu)建

在構(gòu)建平面圓周運(yùn)動(dòng)模型時(shí)，運(yùn)用了以下幾種物理能力.

3.1.1 理解力學(xué)原理

構(gòu)建平面圓周運(yùn)動(dòng)模型首先需要深入理解力學(xué)原理，特別是牛頓運(yùn)動(dòng)定律和向心力.這些原理為模型提供了基本的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)，解釋了物體為何能夠沿圓周運(yùn)動(dòng)，以及影響這種運(yùn)動(dòng)的各種因素.

3.1.2 應(yīng)用數(shù)學(xué)工具

物理建模常常需要運(yùn)用數(shù)學(xué)工具，如代數(shù)、微積分和三角函數(shù)等.在平面圓周運(yùn)動(dòng)中，這些工具用于建立和解決描述物體運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和加速度的方程.

3.1.3 分析運(yùn)動(dòng)參數(shù)

在構(gòu)建模型時(shí)，需要確定運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如物體的質(zhì)量、速度、半徑等.這些參數(shù)將直接影響物體的圓周運(yùn)動(dòng)行為，可以根據(jù)實(shí)際問題或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)來確定這些參數(shù).

3.1.4 考慮約束條件

在構(gòu)建模型時(shí)，還需要考慮物體的約束條件，如物體的連接方式、摩擦力、空氣阻力等.這些約束條件對物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有著重要影響，必須在建模時(shí)予以考慮.

3.1.5 建立模型

將物理原理、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和約束條件結(jié)合起來，建立一個(gè)描述平面圓周運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型.使用適當(dāng)?shù)奈锢砉胶头匠蹋纾蛐牧浇⒎匠虂砻枋銎矫鎴A周運(yùn)動(dòng)，以便對物體的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行分析和預(yù)測.

3.1.6 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

物理建模不僅僅是理論上的構(gòu)建，還需要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的正確性.要求具備實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析能力，以便收集數(shù)據(jù)并與模型預(yù)測進(jìn)行比較.

3.1.7 抽象思維能力

構(gòu)建模型需要將復(fù)雜的物理現(xiàn)象抽象為簡單的數(shù)學(xué)模型.要求具備抽象思維能力，能夠從復(fù)雜的實(shí)際情況中提煉出關(guān)鍵要素，并建立起簡潔有效的模型.

3.1.8 解決問題的能力

構(gòu)建模型的過程本質(zhì)上是一個(gè)解決問題的過程.需要具備分析和解決問題的能力，以便在建模過程遇到難題時(shí)能夠找到有效的解決方案.

綜上所述，構(gòu)建平面圓周運(yùn)動(dòng)模型需要綜合運(yùn)用力學(xué)原理、數(shù)學(xué)工具、運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析、約束條件考慮、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、抽象思維以及解決問題的能力.這些物理能力共同構(gòu)成了構(gòu)建有效模型的基礎(chǔ).

3.2 平面圓周運(yùn)動(dòng)模型例題分析

平面圓周運(yùn)動(dòng)在生活中的現(xiàn)象有很多，例如火車拐彎、汽車過凹凸橋、旋轉(zhuǎn)木馬、摩天輪、行星運(yùn)動(dòng)和陀螺等.通常涉及向心力的概念，這是物體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)必須有一個(gè)指向圓心的力，用以改變物體速度的方向[4].

例題 旋轉(zhuǎn)木馬可以簡化為如圖2所示，a，b兩個(gè)小球分別用懸線懸于水平桿上的A，B兩點(diǎn)，A，B到O點(diǎn)距離之比為1∶2.裝置繞豎直桿勻速旋轉(zhuǎn)后，a，b在同一水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，兩懸線與豎直方向的夾角分別為α、θ，則α、θ關(guān)系正確的是（" ）.

A．tanθ=2tanα"" "B．tanθ=2tanα

C．cosα=2cosθ"" "D．sinθ=2sinα

解析 設(shè)OA段長為L，OB段長為2 L，勻速旋轉(zhuǎn)小球到懸點(diǎn)的高度均為h，由于a，b兩球做圓周運(yùn)動(dòng)的角速度相同，且都滿足mgtanφ=mω2r，則有aaab=（L+htanα）ω2（2L+htanθ）ω2=gtanαgtanθ，解得tanθ=2tanα，故選B.

4 結(jié)束語

本文通過超重與失重模型、平面圓周運(yùn)動(dòng)模型例題的展示，旨在闡述物理建模是一種從物理視角出發(fā)，將實(shí)際問題抽象化、數(shù)學(xué)化的思維方式.關(guān)鍵物理能力在判斷超重失重物理模型和平面圓周運(yùn)動(dòng)模型中具有重要的作用.通過對物理模型的掌握和應(yīng)用，學(xué)生可以更好地理解和掌握物理知識(shí)，提高解決實(shí)際問題的能力.因此，在物理教學(xué)中，教師應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的物理建模能力，提供更多的實(shí)際問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行物理建模實(shí)踐，以促進(jìn)學(xué)生綜合能力的全面發(fā)展.

參考文獻(xiàn)：［1］ 黃晶.基于核心素養(yǎng)的高中物理模型建構(gòu)教學(xué)的理論與實(shí)踐［J］.物理教師，2020，41（7）：19-23.

［2］ 王紅霞.高中物理教學(xué)中的模型建構(gòu)：以電磁學(xué)為例［J］.教育理論與實(shí)踐，2019，39（35）：58-60.

［3］ 陳怡.核心素養(yǎng)視角下高中物理模型建構(gòu)的策略與實(shí)踐［J］. 中學(xué)物理教學(xué)參考，2021，50（21）：44-46.

［4］ 馬德林.物理模型建構(gòu)在高中教學(xué)中的實(shí)踐與探索［J］. 物理教學(xué)探討，2020，38（10）：74-77.

［責(zé)任編輯：李 璟］