高中物理模型教学的探究

杨日新

(浙江省天台平桥二中 317203)

物理是一门研究物质世界最基本结构和一般运动规律的自然科学，物理模型的构建是进行物理学习和探究的重要内容.物理学的发展过程就是一个物理模型建立的过程，物理模型对于物理的发展有着巨大的作用.物理模型教学主要是指对物理模型的内容、建立方法、应用的教学，不仅能反应客观的物理现象，也能阐明物理现象的规律，是开展物理教学活动的重要组成部分.

一、物理模型概述

1.物理模型的定义和类型

“模型”是英文“Model”，主要是“样式、尺度、样本”的意思.我国著名科学家钱学森认为，所谓的模型就是“通过对问题现象的分解、分析，利用已知原理，吸取主要因素，省略次要因素，而创造出的一幅图画.”高中物理模型主要是指根据物理学的特点，对物理的某一过程或某个现象进行抽象化，用来对物理系统的结构或某方面的规律进行描述.这就是说，物理模型是对实际物理现象的一种升华，使之抽象化、概念化.

高中阶段的物理模型类型一般以实体理想模型、系统理想模型和过程理想模型为主.实体理想模型一般是以客观的实际物体为基础，根据学生所研究的性质将实体理想化成模型，物理学习和探究中常见的理想气体、质点、杠杆、点电荷、理想变压器都属于实体理想模型.物理学所研究的一般是互相作用的物体，这就组成了一个系统.系统理想模型一般会忽略其他次要因素对系统的影响，只对系统内部的物体规律进行探究，诸如：力学系统、绝热系统、保守力系统等都属于系统理想模型.过程理想模型是高中物理的重点，由于自然界的事物互相运动、变化和作用，其原理和过程复杂，因此在高中物理研究的过程中，会抓住这些过程的主要因素，分析其主要规律，忽略次要因素，这样就构建起了过程理想模型，诸如：匀速直线运动、匀速圆周运动、匀变速直线运动、自由落体运动、平抛运动、简谐运动、弹性碰撞、完全非弹性碰撞等.

2.构建物理模型的意义

第一，简化物理所研究的问题.通过构建物理模型，可以对物理现象进行抽象处理，从而对物理学所要研究的复杂问题进行简化，更好的对物理现象进行学习和探究.比如质点模型的构建，一般学生会将质点等同于很小的物体或是数学中的点，这是错误的.其实，只要物体的体积、形状、大小等对物体有关规律的研究不构成主要因素，都可以将物体看着一个质点.质点忽略了物体的大小和形状，主要突出物体的质量、位置等性质，如地球围绕太阳的运动探究，地球可以被看着质点，再就是运动物体各个点的运动状态一致，这样运动物体也可以被看着一个质点，诸如：运动中的汽车、卫星、导弹等，质点模型是实际物体的抽象过程.

第二，解决实际问题.通过物理模型的构建，可以帮助学生运用物理知识进行生活问题的解决，学生将生活中的实际问题抽象成物理模型，就可以直接运用模型的结果，从而提高学生的问题分析和解决效率.比如理想气体模型的构建，可以将自然界中各种不同性质和不同特点气体的一些共同规律体现出来，从而可以将玻意耳定律的经验定律统一起来，推导出理想气体的方程：pV=nRT，这样更有利于学生进行具体问题的分析和解决.对于比较复杂的物理现象和问题，学生需要对它的物理模型进行研究，然后结合实际情况对模型结果进行修正，从而使得物理模型更加接近实际研究对象的本质.

第三，揭示物理本质.物理理想模型是进行物理学习和探究的有效方法，可以将复杂的物理现象简单化，从物理的本质规律入手，从而揭示出物理的本质.比如“轻质”一词常常出现在物理各种力学问题中，是物理典型的理想化模型.比如“轻质”弹簧中各个点的弹力相等，因此在进行物理实际问题的分析中，可以认为“轻质”弹簧两端物体所受到的力大小相同.通过建立理想模型，可以忽略物体受力过程中的次要因素，从而简化物理过程，揭示物理本质.

二、实验探究，师生共建物理模型

高中物理是一门以实验为基础的自然科学，教师引导学生进行实验探究，不仅能让学生理解物理知识的分析和探究过程，同时也能够帮助学生建立起物理模型，从而对同一类的物理问题进行更高效的分析和解决.下面我们一起来进行有关“平抛运动”的实验，师生一同构建平抛运动的过程模型，让学生掌握平抛运动模型的构建过程，总结平抛运动的规律，并在实际问题中进行应用.

首先，教师给学生播放一下战争片中，战斗机投弹的视频，让学生能够仔细的观察到炸弹从飞机投下到击中目标的整个过程，并然思考一下，战斗机在投弹的时候，是位于目标的正前方、正上方还是后方，如果从侧面进行炸弹运动轨迹的观察，炸弹是做直线还是曲线运动？学生通过观察和思考，很容易得出，战斗机在目标正前方开始投弹，炸弹在命中目标前做曲线运动.

其次，教师给学生做演示实验，教师在桌面上放一个乒乓球，让乒乓球先沿桌面匀速运动，最后离开桌面下落，让学生进行观察，并引导学生乒乓球离开桌面到落地前的运动就是平抛运动，那么，大家想一想平抛运动的概念是什么呢？学生很容易得出，平抛运动就是“水平抛出的物体所做的运动.”教师继续给学生进行实验演示，这次教师拿一根羽毛沿水平方向抛出，然后让学生观察，羽毛抛出后的运动是平抛运动吗？大多数学生认为羽毛水平抛出以后所做的不是平抛运动，因为羽毛受到的空气阻力比较大，抛出后很快就直线下落了，而不是曲线.教师对学生进行引导，那么炸弹和乒乓球不受空气阻力吗？学生认为炸弹和乒乓球受到的阻力小，可以忽略.教师继续引导：那么乒乓球在离开桌面下落的过程中受到几个力的作用呢？学生认为，忽略空气阻力，乒乓球只受到重力的作用.由此，可以得出平抛运动的定义为“物体以一定的初速度水平方向抛出，如果物体仅受重力作用，这样的运动叫做平抛运动.”

图1

再次，教师让学生结合已经学过的运动合成与分解知识，对平抛运动进行推断和猜测.学生通过对平抛运动轨迹的观察，试着通过平行四边形法则将平抛运动分解为水平和垂直两个方向的运动.那么，学生分解的是否正确呢，教师引导学生运用实验的方法进行探究.教师组织学生进行分组实验，给学生发放实验器材(如图1所示)，让学生以白色为背景，将手机设置为连拍，记录下两个小球同一时间的不同位置，然后通过电脑进行图片的合成，学生通过多次实验发现，用力越大，A球飞出的距离越远，但是不论飞出多远都和B球同时落地.通过对两个小球拍摄的图片进行合成，学生发现，相同时间内，A球水平运动距离相等，竖直方向上与B球始终处于同一高度.学生通过测量发现，垂直方向相同时间段内，相邻两点的位移之差是常数，而在竖直方向上小球的初速度为零，通过公式Δs=a(ΔT)2将求出的加速度a取平均值，基本等于重力加速度数值.由此可以得出，平抛运动是水平方向匀速运动和垂直方向自由落体运动的合成，至此，平抛运动的模型建立完成，学生通过亲自的操作和实验，对物理模型有了更深刻的认识.

最后，教师引导学生对平抛运动模型的规律进行探究，并将结果通过表格进行汇总，如下表：

速度位移分解方向水平竖直水平竖直分解大小vx=v0vy=gtsx=v0tsy=12gt2实际方向tgα=gtv0tgβ=gt2v0实际大小v=v20+(gt)2s=(v0t)2+(12gt2)2

这样，学生对平抛运动的模型基本掌握，在进行相关问题的研究的时候，就可以直接运用模型进行分析和探究，有效的提高学生的学习效率，促进学生的全面发展.

图2

例题 有三个同学在玩投飞镖游戏，已知在飞镖的抛出点O正前方有一泡沫挡板来接收飞镖，挡板上的A点与O点在同一水平线上，已知三位同学分别以v1、v2、v3的初速度将飞镖投出，分别打在挡板上的B、C、D点(如图2所示)，经过测量得出AB∶BC∶CB=1∶3∶5，忽略飞镖运动过程中空气阻力的作用，则v1∶v2∶v3的值为( ).

A.3∶2∶1 B.5∶3∶1 C.6∶3∶2 D.9∶4∶1

解析 由题意可知飞镖的运动为平抛运动，打在挡板上的点为竖直方向运动的位移，由于抛出点和挡板距离固定，因此水平运动位移相等，则可以得出v1t1=v2t2=v3t3，竖直方向位移AB∶BC∶CB=1∶3∶5

联立解得：v1∶v2∶v3=6∶3∶2

总之，高中物理知识比较抽象，教师在教学过程中，要注重引导学生进行物理建模，从生活中的具体现象中进行物理规律的抽象，形成一个完整的物理知识发展过程，让学生掌握物理的本质规律，既能帮助学生掌握物理知识内涵，也能提升学生的物理素养，促进教学质量的提升.