基于学生体验的物理模型的构建策略初探

摘 要：高中物理习题中包含大量物理模型;构建物理模型有助于学生抓住事物的关键要素，加深对概念、规律的理解，提升解决实际问题的能力。本文主要讲解了通过激发学生的兴趣、引导学生制作模型、由学生亲自操作实验或教师做演示实验等方式来探究模型的特征和解题思路等策略促进学生构建正确的物理模型。

关键词：物理模型;构建;探究;演示实验

在高中物理习题中包含了大量的物理模型，如追及模型、板块模型、连接体模型、传送带模型等;构建物理模型有助于学生抓住事物的关键要素，加深对概念、过程和系统的理解，灵活应用物理知识、提升解决实际问题的能力。

对于在习题中出现的物理模型，传统的教法是把它们当习题来讲解。教师希望通过讲解，引导学生掌握各个模型的本质特征和正确的思维方法，但他们往往忽视了学生的典型错误，没有挖掘学生出现典型错误的原因;由于思维定势，学生往往在同一个知识点反复出错。另一方面，学生对这些模型缺乏感性的认识，从理论到理论的分析方法使学生觉得很枯燥、很抽象、难以理解。学生很难在大脑中构建出各种物理模型的特征和解题方法。

为了使学生对物理模型有更具体、更深刻的了解，我在引导学生构建模型的过程中增加了探究、体验的环节。下面我以两个例子来谈谈我在习题课的教学中引导学生构建物理模型的一些尝试：

一、 水平传送带模型

传动带模型涉及的知识面广，如受力分析、运动过程分析、能量的转换等，是高考知识考查的一个热门考点。在高一学生第一次接触传送带这个模型的时候，我做了以下的工作：

（一）激发学生兴趣

为了激发同学对传送带的兴趣，上课前我给学生播放了《工业自动化，可怕智能传送带》的视频，我还让学生到大型商场观察、体验传送带，了解传动带的实际应用。

（二）制作传送带模型

我将学生分成9个学习小组，每个小组在上课前制作好一个传送带模型，模型由玩具电动机带动，传送带由打印纸制作而成，可以在上面记录物体的运动轨迹。通过模型制作，学生对传动带的结构、动力装置等都有了深刻的了解。

（三）探究物体在传送带上的运动问题

【例1】 如图1所示，一平直的传送带v1=3m/s的速度匀速运动，一滑块与传送带间动摩擦因数μ=0.1，把该物体无初速度地放到传送带的左端，讨论下面的问题：

问题1：滑块在传送带上做什么运动？

学生猜想：滑块可能做匀速运动，可能是先做加速运动后匀速运动，也可能是一直加速运动。

学生动手操作：学生轻轻将滑块放到转动传送带上，观察物体的运动情况;经观察、讨论后得到结论：滑块的运动与传送带的长有关，如果传送带足够长，滑块先做匀加速运动，当滑块速度与传送带速度相等后，滑块做匀速运动;如果传送带不够长，滑块则可以一直做匀加速运动。

问题2：请分析滑块的受力情况，说明为什么滑块会这样运动。

引导学生总结确定摩擦力方向的方法以及摩擦力发生突变的条件。

问题3：若传送带长度分别为L=3m和L=0.5m，请分别计算滑块在传送带上运动的时间。

问题4：若传送带长度L=3m，将上物体改为煤块，煤块在传送带上运动的过程中会在传送带上留下黑色痕迹，求黑色痕迹的长。

学生提出疑问：黑色痕迹是怎样产生的？它出现在煤块的前方还是后方？

学生将蘸上了黑色墨水的物体轻轻地放在传送带上，观察黑色痕迹出现在物体的前方，认识到黑色痕迹是物体与传送带有相对运动而产生的，其长度就是物体相对于传送带位移的大小。

问题5：若传送带长度L=3m，物体分别以1m/s和7m/s的速度从传送带左端滑上传送带，物体分别做什么运动？物体离开传动带时速度是多大？

问题6：若传送带长度L=3m，物体分别以1m/s和7m/s的速度从传送带右端滑上传送带，物体分别做什么运动？物体离开传动带时速度是多大？

通过这一系列活动，学生基本掌握了物体在水平传送带上的受力分析、运动过程分析等，能比较准确地求出物体与传送带的相对位移。

二、 板块模型

板块模型是高中一个很重要的物理模型，它往往将静摩擦力、滑动摩擦力、牛顿运动定律、运动学规律和动量守恒定律等一起综合考查。木板和物体是否相对滑动的判断是该模型的一个普遍难点。

【例2】 如图2，A、B两物块的质量分别为mA=0.5kg和mB=0.2kg，A、B之间的动摩擦因数μ1=0.4，B与地面的摩擦因数为μ2=0.2。最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度为g。当拉力F=2.8N时，A物体的加速度是多大？

先引導学生思考：AB是否发生相对运动？如何判断？AB的运动情况与什么有关？

这道题有两个临界问题，第一个是拉力F至少为多大时，B物体与桌面开始相对滑动;第二个是拉力F至少为多大时，A、B两物体开始相对滑动。因为B物与桌面的动摩擦因数比A、B两物块间的小，所以学生一般都能判断出当拉力F=μ2（m1+m2）g=1.4N时，B物与桌面将开始相对滑动;因为受单个物体受力情况与运动情况的影响，大部分学生认为当拉力F=μABmAg=2N时，A、B两物体即将开始相对滑动。

为了让学生形象、直观地认识到错误，我设计了图3所示的演示实验，A、B物体叠放在粗糙的水平桌面上;绳子的一端系在A物上，另一端先跨过桌子边缘的定滑轮，然后再跨过一个动滑轮与力的传感器相连;力的传感器与电脑相连，实验时我们可以从电脑显示屏上读出传感器受到的拉力。开始实验后，我逐渐往沙桶里装沙子，当显示器的示数达到1.4N左右时，B物体与桌面就开始相对滑动，这很好地印证了第一个临界问题的分析;我继续往桶里装沙子，但当显示器的示数为2N时，A、B两物体并没有开始相对滑动，当显示器的示数达到2.8N时，A、B两物体仍未相对滑动;当示数达到3.5N时，A、B两物体才开始相对滑动。因为上述实验过程只能持续几秒钟的时间，不能边做实验边与学生分析讲解;所以我用手机把整个实验过程拍摄下来，然后用慢镜头播放，让学生清清楚楚地看到整个实验过程。

为什么拉力F=2N时，A、B两物体还没有开始相对滑动？引导学生考虑A物体此时的运动状态，A物体是加速的，所以这时A、B间的摩擦力还没达到它们间的最大静摩擦力，它们间还没有出现临界的状态，只有当它们间摩擦力达到最大静摩擦力才出现临界状态。

有部分学生在解变式1的时候直接套用了例题的解法，弄错了B物体的运动状态，这时可以用图3的实验给学生演示，得到无论拉力F有多大，B物体都保持静止不动的结果。

【变式2】 若拉力F作用在B物体上，题干中其他已知量不变，A物体的加速度多大？

有了前面的基础，学生通过分析就能解决变式2这道题。

通过巧妙地设计演示实验，学生能很清晰地看到当拉力逐渐增大时，两物体的运动情况的变化，并且能够分析滑块与木板的受力情况，从理论上作出解释;学生掌握了判断物体与木板是否相对滑动的方法，突破了板块模型中的一个难点。

学生在刚接触这些物理模型时，要经过大量的观察、实验与探究、分析与综合等过程才能完成对模型的建构。

参考文献：

[1]胡卫平.物理学科核心素养的内涵与表现[J].中学物理教学参考，2017（8）：2.

[2]杨林海.光滑水平面上叠加体的运动分析[J].中学生数理化：学习研究，2016（8）：41.

作者简介：

甘荣，广东省茂名市，广东省茂名市第一中学。