高中物理模型的构建探究

谢晓丹

[摘要]在高中物理教学中，构建物理模型是一种高效的教学方法。构建物理模型就是排除实际物理问题中非本质因素的影响，抓住实际物理问题的主要因素，舍弃次要因素，突出反映实际物理问题的本质特征，从而使实际物理问题得到简化和理想化的过程。它对高中学生掌握物理知识、培养学科素养、解决物理问题、减轻学生学业负担、培养学生各方面能力起到非常重要的作用。本文结合自己的高中教学实践从物理教学中常见的三类物理模型、构建物理模型在教学中的重要作用和举例说明物理模型的构建三个方面进行阐述，从理论上和实践上对高中物理模型的构建提出了自己的看法。

[关键词]物理模型;构建物理模型;物理教学;物理问题;理想化

高中物理是研究物质基本规律的一门基础学科。如果离开了对物质最基本规律的研究，就不可能对复杂的物理现象做进一步的研究，所以把复杂的物理现象进行科学、抽象的简单化和理想化处理的过程，就是构建物理模型。利用构建物理模型的方法可以排除实际物理问题中非本质因素的影响，抓住实际物理问题的主要因素，舍弃其次要因素，从而使实际物理问题的对象、条件和过程得到简单化和理想化，从而突出反映实际物理问题的本质特征，使实际物理问题更方便研究和解决。在教学中对物理模型的构建会不断启发、拓展和提高学生运用所学物理知识解决实际物理问题的能力和兴趣，当学生在解决实际物理问题时，就会自然而然的想到物理中的相应模型，从而感到物理学与生活是紧密相连的，最终激发学生学习物理知识的求知欲望，进而产生思考并最终解决物理问题。因此，构建物理模型教学方法在培养学生的学科素养、探究能力、解决实际物理问题的能力方面发挥着重要的作用。

第一、物理教学中常见的三类物理模型

1.对象模型：忽略对象实体的次要因素，用来代替对象实体的理想化模型，如质点、弹簧振子、点电荷、理想气体等。

2.条件模型：排除物体外部条件的次要影响，把研究对象的外部条件理想化的模型，如光滑表面、均匀介质、绝热容器、匀强电场、匀强磁场等。

3.过程模型：忽略物体在运动过程中的次要因素，将物理过程理想化的物理模型，如匀速直线运动、自由落体运动、简谐运动、平抛运动、弹性碰撞、稳恒电流、等温变化等。

第二、构建物理模型在教学中的重要作用

1.构建物理模型是培养和提高学科素养的方式

构建物理模型活动本身就是一项创造性的思维活动，它可以培养学生的自主学习、自主探究、分析与综合、比较、抽象和概括、类比、推理等能力，这些能力正是学科素养所体现的素养。在高中物理教学中构建物理模型的意识与培养学生的学科素养是相辅相成、密不可分的。要真正培养学生的物理学科素养，教师的一言堂的传统教学模式要进行改革，把构建物理模型教学方法与培养学生学科素养的新教学理念进行深度的融合，通过“自主学习”和“探究性学习”的课堂教学模式，充分挖掘学生的主动参与和创造性的思维活动的潜力，让学生在构建物理模型的过程中同时也培养和提高学生的学科素养。

2.准确地构建物理模型是解决物理问题的关键

在高中物理教学实践中，高中学生普遍认为高中的物理比较难学，课堂上老师所讲的物理知识，绝大多数学生基本能听懂，笔记也做得很详细，但在考试和习题中解决物理问题时，思路不是很清晰，觉得无从下手。究其原因，大多数学生在处理物理问题时，不能把题目中所考查的物理模型与所学知识和掌握的模型进行迁移或迁移不准确，也就是说不能准确地构建相应的物理模型，最终导致物理问题不能处理或处理不当，所以准确地构建物理模型对解决物理实际问题起到关键性的作用。

3.构建物理模型方式有利于减轻学生的学业负担

由于升学压力，现在的老师和学生都在搞题海战术，这情况让老师和学生在身体上和心理上感到很疲惫，有少部分学生在这种压力下产生了厌学的念头。虽然这种做大量物理习题的情况很普遍，但细心的学生和老师可以发现班上有一小部分学生在学习物理知识和考试时很轻松，在课堂上认真听课，按时完成老师布置的适量作业，所做物理课外习题也不多，但考试成绩依然很好。对于这种付出很多但学习效果不理想的学生，应该考虑学生学习物理的方法是否正确，是否高效。其实这类轻松学习物理的学生在看到物理题目時，大部分题目都已经知道所考物理模型和相应模型的物理规律，他们所用的知识也是大家平时所学的知识，没有特别的地方，只是比别人在构建物理模型时很敏捷，很快速，也准确，并能灵活的提取、应用、置换、迁移物理模型，所以就能在各种考试中拿高分，但这类学生并没做大量习题，只是做适量的各类典型题目，总结各类题型的解题方法和思路，最终达到举一反三的效果。因此，在理解物理概念和物理规律的基础上，要善于寻找所掌握的物理模型来解决实际物理问题，只有这样做，才能轻松地学习物理知识并快速、准确解决物理问题，才能真正地减轻学生的学业负担。

第三、举例说明物理模型的构建

1.质点模型（对象模型）、匀速直线运动模型和匀变速直线运动模型（过程模型）

[例1]汽车在高速公路行驶时，为了行车安全，汽车之间应保持一定的距离。在某段高速公路行驶的最大速度为108 km/h，如果前方的汽车突然停止，后面的汽车驾驶员从发现这一情况开始刹车，其反应时间为0.5s，刹车时汽车所受的阻力为其重力的0.5倍。求：汽车行驶在这段高速公路上的安全距离至少为多少米？（取g=10m/s²）构建物理模型的过程：

（1）画运动草图：

（2）构建模型：

构建模型一：汽车（质点模型）在反应时间内做匀速直线运动，则可以用匀速直线运动模型规律进行解决。

构建模型二：汽车以某一速度刹车做减速运动，这一情景通过理想化后汽车是做匀减速直线运动，则可以用匀减速直线运动规律进行解决（由于这一过程是动力学问题，所以用牛顿第二定律和运动学规律联合进行解决）。

（3）解题过程：

2.自由落体运动模型、竖直上抛运动模型（过程模型）

[例2]某跳水运动员从10m高的跳台上跳起，伸直双臂时其重心位于手到脚全长的中点，跳起后其重心升高0.45 m达到最高点，落水时手先进入水面（忽略运动员水平方向的运动且身体始终保持竖直）。求运动员从离开跳台到手指接触水面过程中所用的时间。（g取10 m/s²，结果保留三位有效数字）

构建物理模型的过程：

（1）画运动草图：

（2）构建模型：

把运动员看作质点，质点做竖直上抛运动过程中，可分为两个阶段：上升阶段的运动模型为匀减速直线运动，下降阶段的运动模型为自由落体运动，分别求出各段的运动时间，两段时间之合为运动员在整个过程中所用的时间;此题也可以用整体处理，整个过程的初速度向上，加速度向下，全程可用匀减速直线运动规律进行解题。

（3）解题过程：

3.带电粒子在磁场运动模型（条件模型）

[例3]如图所示，在坐标区域y<0范围内存在垂直于纸面向里的匀强磁场，该区域磁场的磁感应强度为B，一带负电粒子的电量为q、质量为m，与x轴正方向的夹角为θ（单位为弧度）的速度v。从圆心O点垂直射入磁场（忽略粒子重力的影响），求：

（1）该粒子射出磁的位置：

（2）该粒子在磁场运动的时间。

构建物理模型的过程

（1）画运动草图：

（2）构建模型：

当带电粒子所受的重力忽略不計和磁场为匀强磁场，是把物体所处的条件进行理想化，在这种理想的情况下带电粒子在仅受洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，则可构建匀速圆周运动模型。

①在结合三角形的几何关系可求出OA的长度，从而可得射出点A的坐标;

②再结合匀速圆周运动的周期公式和圆弧对应的圆心角可求出粒子运动的时间。

从以上三个实例得出构建物理模型的基本思路：首先从物理的实际问题出发，通过审题，初步形成简化后的物理情景，再根据物理情景画出运动草图或受力分析图（这一步对构建物理模型起到很重要作用），然后根据所学的物理知识和已掌握的物理模型进行比对和全方位的思考从而构建出相应的物理模型，再一步一步地展开书写过程和不断思考和检验模型的准确性，如在展开的过程中出现模型构建不准确应加以修正，最后正确地写出解题的全过程。

总之，在高中物理教学中，对实际物理问题进行分析和处理时，都离不开对物理问题进行构建物理模型。在物理教学实践中，应不断培养学生构建物理模型的思维，培养学生对复杂的物理问题能够进行理想化处理的能力，正确运用科学、抽象的思维方法去处理实际物理问题，从而培养学生解决实际物理问题的思维和能力，不断提高学生的学科素养。所以构建物理模型在高中物理教学中具有重要地位和意义。