在物理模型建构中发展学生的科学思维能力

蒋贵明

(甘肃省武威第六中学 733000)

新的考纲要求我们大力引导学生由“解题”向“解决问题”转变.学生要能够解决实际问题.而物理模型正是实际问题与物理问题之间的桥梁.物理模型是我们对物理现象的理想化处理,物理模型既来源于生活,又高于生活,它是对生活现象的抽象性概括,通过化繁为简的方式,反映事物变化的特征与本质,构建事物的概念和体系 .物理模型的构建是物理学习的一种重要方式.如何更好的使学生通过阅读审题,将实际问题在头脑中形成清晰的图景,并能够建立起物理模型,并能够运用物理规律来解决问题,是当前物理教师要考虑的一个重要问题.

一、物理模型在高中物理教学中应用的意义

1.支撑物理规律和理论

物理学习的最终目的就是探索自然界中广泛存在的物质结构和运动形态.自然界的物质具有很强的复杂性,要对客体本身进行抽象化,去研究物理模型.著名物理学家法拉第对电磁感应现象进行了模型设计,形成了场的概念,爱因斯坦通过光子模型的建设,很好的解释了光电效应,正是这些模型的建立给物理研究提供了巨大的便利,也实现了人类物理研究史的飞跃.

2.作出科学的预言

科学家在进行研究的过程中,经常将具体事物简化为物理模型,不仅能够解释一些常见的现象,而且能够作出科学的预言.比如海王星的发现就是通过对物理模型的研究而做出的预测,天文学家利用天王星轨道的摄动推测出海王星的存在与可能的位置,科学预言最终得到证实.海王星是利用数学预测而非有计划的观测发现的行星.

3.培养学生创造性思维

在高中物理教学过程中,构建物理模型的本质就是培养学生的创造性思维,物理思维的成果必须本身就具有独创性和一定的研究价值,而物理模型正好适应了这一研究发展的需要.

二、高中物理教学中怎样实现模型的建构

1.对物理概念建模

物理模型直接反映了物体的属性和本质,是对事物的抽象概括,是人观察和实验的产物,任何概念的形成都离不开物理思维,比如人们能观察天体运动,机械运动,动物运动等,如果不通过认真的比较和分析,找出运动的共同属性,人们就不能设计出机械运动,不会产生机械运动的概念,所以物理建模是必须要研究物理原型,抓住影响事物的主要因素,构建理想化的物理模型,比如质点、理想气体、点电荷、纯电阻、理想流体等

2.对物理过程建模

高中所学习的物理过程大多是理想化的物理过程,包括匀速直线运动、自由落体、平抛运动,匀速圆周运动等等,它们从不同的角度去揭示了运动的本质属性.

3.在习题教学过程中培养学生的建模能力

在高中阶段,尤其是要面对高考的学生,每天都有面对大量的习题要做,物理问题往往是学生最头疼的,但如果学生提高了构建模型能力,就既可以发展思维能力,还能大大提高效率.例如,在解决动量守恒定律问题时,我们可以这样建模：

图1

例如：如图1所示,光滑水平面上有带有1/4光滑圆弧轨道的滑块,其质量为2m,一质量为m的小球以速度v0沿水平面滑上轨道.

问题1. 小球将如何运动,小球和圆弧轨道组成的系统动量守恒吗？

问题2.小球能否从上端飞出？若能飞出,飞出时滑块的速度为多大？能飞多高？

模型的特点：只要地面光滑,那么

(1)球和弧面的总动量在水平方向上总是守恒的.从弧面最右侧端脱离后,球将与弧面保持水平方向上的相对静止,所以最终会从同一点回落再次以切线方向进入弧面.

(2)球和弧面之间的关系属于完全弹性碰撞,任何时候两者所组成的总体,在互相作用以后机械能是与作用前一致的.球处在弧面最底端时两者总动能最大,重力势能最小；球处在弧面最右侧端时,球与弧面水平方向速度相等,两者总动能最小,重力势能最大.

变式将原题模型变为：将两个完全相同的圆弧模型A和B对接如图2所示,放在光滑水平面上,A和B的倾斜面都是光滑曲面,曲面下端与水平面相切,让物块位于A的倾斜面上,距水平面的高度为h.物块从静止滑下,然后又滑上B.

图2

问题1：物块能否从B上滑出？

问题2：物块在B上能否滑上相同高度？求物块在B上能够达到的最大高度.

在比如：在解决天体问题时,涉及天体系统时,我们可以这样建模：

(1)双星系统之“二人转”模型

图3

双星系统由两颗相距较近的星体组成,由于彼此的万有引力作用而绕连线上的某点做匀速圆周运动(简称“二人转”模型)，如图3所示.双星系统中两星体绕同一个圆心做圆周运动,周期、角速度相等;向心力由彼此的万有引力提供,大小相等.

(2)三星系统之“二绕一”和“三角形”模型

三星系统由三颗相距较近的星体组成,其运动模型有两种:一种是三颗星体在同一条直线上,两颗星体围绕中间的星体做圆周运动(简称“二绕一”模型);另一种是三颗星体组成一个三角形,三星体以三角形的中心为圆心做匀速圆周运动(简称“三角形”模型).

总之,在高中物理学习的过程中,物理模型建构是一种学习的重要方式,能满足高中阶段学生认知发展的需要,又能够根据已有的知识理论去拓展学生的思维,帮助学生去形成创新性的物理思维,将物理知识真正运用到实际生活当中,真正实现物理教育的根本目标,培养学生的物理思维,让学生学会学以致用.