探究建构模型在物理教学中的实践意义

蒋贵明

〔关键词〕 物理教学；建构模型；弹性碰撞；实践意义

〔中图分类号〕 G633.7〔文献标识码〕 C

〔文章编号〕 1004—0463（2012）１5—0031—０1

在物理课堂教学中，复杂多变的问题往往需要借助物理学抽象思维，通过建构模型来观察分析问题，同质等量分解其发生过程，做到问题的由繁化简，得到问题的求证与求解.通过构建物理模型来解决物理问题的过程，正是教师指导学生积极思维的一种具体表现，是提高学生分析解决问题能力的一个有效途径.现就通过动量守恒这一基础性理论和弹性碰撞这一实例，探究建构模型在物理教学中的实践意义.

根据动量守恒定理，在单纯的碰撞过程中系统的机械能不会增加，一般都会有一部分机械能的损失并且转化为内能.若碰撞为弹性碰撞，则没有动能的损失，既满足动量守恒，又满足碰撞前后动能不减少.此外，参与碰撞、爆炸、撞击的物体系统均属于强相互作用系统，物体受强作用力的作用，作用过程时间短，作用过程发生的位移很小可以忽略，速度发生突变.事实上强作用系统产生的效果可以通过弱作用较长的时间积累而产生.

如图所示：

我们可以将弹性碰撞模型过程所用的时间放大细化，看作是两个小球开始接触并相互挤压.前面原来静止的小球2开始加速，后面的小球1减速，当1、2两球速度相等时，球1、2之间的弹性势能最大，这个过程的一部分动能转化为弹性势能.接下来两小球开始分离，弹性势能又开始转化为动能，当两小球完全分离时，弹性势能又全部转化为动能.实际上，整个过程中，系统的动能并没有减少，且动量守恒，将这个强作用过程可分为两个过程：

第一过程：开始作用到弹性形变最大.

m1v1=（m1+m2）v'

m1v1－（m1+m2）v'２＝Ｅ

第二过程：恢复形变过程.

（m1+m2）v'＝m1v1'＋m２v２'

（m1＋m２）v１'２＋Ｅ＝m1v1'2＋m２v２'２

反之，有些弱作用过程还可借助强作用的过程模型进行分析处理.

【例】在光滑绝缘的水平面上有两个质量分别为m和4m的带电小球1和2 ，带电量分别是q和4q，当两球间的距离d>L时，库仑力可以忽略，现在小球1静止，小球2以速度v从相距d（d>L）的位置沿两球球心的连线向球1运动，若运动过程两球始终没有接触.求：

（1）两球组成的系统具有的最大电势能是多少？

（2）两球再次相距d时，两球的速度大小？

分析：这两个小球的作用过程模型实质上和弹性碰撞模型是一样的.当两球速度相等、相距最近时，系统的弹性势能最大.对此过程满足动量守恒和能量守恒.

４mv=（m+4m）v'

Ep=?驻Ｅk=×４mv2-（４m+m）v'２

得：Ｅp=mv2

当两球再次相距d时，库仑力可以忽略，电势能为零，整个过程相当于两个小球发生了弹性碰撞的情形，因此，全过程动量守恒，动能不变.则:

４mv=mv1+4mv2

×４mv2＝×mv１２＋×４mv２２

得v1=vv2=v

通过上述弹性碰撞实例模型的构建，有助于我们理解物理模型及物理问题的本质，也有助于我们更好的建立物理模型，灵活地解决实际问题. 建立物理模型的能力，是高中学生学习物理必须具备的一项基本素养.我们面对诸多复杂而多变的实际问题，将这些问题抽象成我们所熟悉的物理模型来加以解决，不但有助于将问题由表及里分析透彻，而且有利于把求解过程化繁为易，进一步促进学生对知识的消化理解，提高对知识的转化运用能力，这对我们教学实践具有深远的指导意义和重大的实践价值.

编辑：张昀