浅谈如何构建物理模型

浅谈如何构建物理模型【摘要】高中学生普遍感觉高中物理难学：听听还懂，解决实际问题就困难。

关键在于他们还是习惯于初中的那种形象思维方式，只会记概念、规律的静态结论，而不重视得出结论的发展过程；只会照葫画瓢，模仿性地解决一些简单的物理问题，而不善于通过观察分析，提炼出现实情景的物理模型，尔后纳入到相关的知识体系中去加以处理，最后得到问题的解决。

所以，物理教师在完成教学任务的过程中，一定要重视对学生建模意识的培养，只有这样，才使学生在解决物理问题时能清晰地构建出情景条件的物理模型，迅速找到解决问题的方法，从而达到培养学生灵活思变、创造性思维的能力。

本文着重从三个方面阐述如何建构物理模型：一、加强基础训练，积累实战经验、二、注重情境变换，拓展思维空间、三、精心整合归类，构建物理模型，目的在于教会学生一种思考问题的方式。

【关键词】夯实基础；情境变换；整合归类众所周知，理想模型的建构是研究物理的一种重要手段和方法，大物理学家如伽利略、牛顿、爱因斯坦等，他们都是善于建构物理模型的人。

物理模型是根据研究的问题和内容在一定条件下对研究客体的抽象，从多维的具体图像中，抓住最具有本质特征的图像，建立起一个易于研究的、能从主要方面反映研究客体的新图像，物理教学的主要任务就是要教会学生这种思考问题的方式，并尝试用所学知识来分析和解决实际问题。

新课程改革把课程目标定位于满足学生发展与终身学习需要，为造就适应社会需要的高素质人才奠定基础。

学以致用正是基于这一基本要求，但自然界实际问题是千变万化的，我们既要考虑这些知识的“去脉”，更不能轻视它的“来龙”，做到“以物带理”和“以理说物”。

“以理说物”要求我们要弄清其中基本的原理，搞清它们所遵循的基本规律，对复杂的情境进行简化抽象，建立起物理模型，这样我们就可以通过纷繁而复杂的表面现象去认清事物的本质，用理论来指导我们的行动去改造世界。

1．加强基础训练，积累实战经验扎实的基础，为理想模型的建立提供一个知识平台，因此教学的首要任务是夯实基础，培养学生基本的思维方法，而新课教学中的知识传授则是理想模型建立的初级阶段。

由于学生对所学知识在头脑中没有雏形，所以对新知识的引入建构阶段是优化某些思想品质的关键时期，学生的认识结构在某一方面的发展也有个最佳时间，教师要深入教材，重组教材、创设富有探究性的问题情境，引导学生经历知识的建构过程，因此，新知识的处理可采用如下方法：1.1 实验激趣法：引人人胜的实验，能激起学生的兴趣，特别是对于某些由于缺乏概念所需的足够感性材料，又没有旧知识起辅垫的作用，用实验的方法，效果非常好，通过实验，使学生在脑海中留下一个直观的，具体形象的物理模型，在此基础上引导学生形成一种思维轮廓，变成具有思维特征的物理模型，然后再利用学生思维中已建立起来的物理模型，去解决一些实际问题。

另外通过一些典型的演示实验，让学生获得生动，鲜明的感性认识，从实验现象的特征出发，提出物理概念，使学生对所研究的问题产生强烈的兴趣，这有助于培养学生的观察能力，注意力和实验能力。

如在波的形成和传播一节中，由于波的形成和传播很抽象，学生思维中没有感性认识，通过仪器演示横波传播和纵波传播，并利用多媒体手段，实行慢镜头分解波的传播过程，让学生清晰地意识到在波的传播过程中，单个质点的振动与波的整体传播的辩证关系。

这种感性认识一旦形成，在以后遇到的波的传播这类问题，就能很快地利用已有的模型解决。

再如，在研究带电粒子在磁场中运动一节中，教材通过对安培力的研究，推导出单个电荷在磁场中的受力情况，但学生对电荷在这种力作用下的运动缺乏感性认识，由于较为抽象，教材分两课时内容来处理。

在具体的教学中，演示了带电粒子在磁场中的运动，并分别就正向、反向，无磁场三种情况演示、解释，使学生打消了种种疑虑，并迅速建立了带电粒子在磁场中运动的基本模型。

1.2 复习旧知识法：利用学生头脑中已有的认识结构和相似性，去联系新知识，使新的知识在原有的认识结构的基础上获得新的认识，并将其纳入认识结构中的适当部分，产生新的物理概念和物理模型。

这样，不但缩短了认知过程，节约了时间，而且使得新旧知识之间联系更加紧密。

如在研究电场力做功时，可与重力做功类比，就能很快掌握电场力做功与电势，电势差的关系。

再如研究电子绕核运行规律时，可与卫星绕地球运动规律进行类比，在研究磁感应强度的定义方面，与电场强度进行类比，让学生在电场强度已有认识的基础上，去认识磁感应强度的定义和特点。

总之，这类问题处理的好，可起到事半功倍的效果。

1.3 充分发挥图象的功能：解决物理问题常常要利用数学知识来解决，由于图象比较直观，可以将抽象的物理问题形象化，因此在解题时，应画出必要的辅助图，作为构建物理模型的辅助工具，这是解决物理问题一个重要环节，许多同学在解物理问题时常常束手无策，显得思维凝滞，出现这种情况的原因很多，但其中一个重要的原因就是对题中给出的语言表述不能进行正确的画出图象。

如在解决力学问题时，画出物体的受力分析图，在电学中画出等效电路图，运动学中画出物体的位置之间的关系、速度图象，以及在光学中画出光路图，这就会使得我们对研究的问题有一个清醒的认识，对解决实际问题有很大的提示和帮助作用。

2．注重情境变换，拓展思维空间物理教学的主要任务就是教会学生应用所学知识解决实际问题，而实际问题又是千变万化的，但它们本质上又有许多相似之处。

因此，教学的首要任务就是要教会学生怎样通过复杂的表面现象去认清事物的本质。

在实际教学中，变换物理情境，使之所为更有新意的问题，从而激发学生的求知欲，培养思维的多向性，拓展学生的思维的深度和广度。

情境变换的方式有许多，着重从以下几个方面说明。

2.1 以生活中实际问题为背景。

对同一物理规律，以生活中实际问题为背景，使得物理问题变有更有情趣，激发学生的学习热情，可以使学生从枯燥的物理问题中解脱出来。

如对平抛物体的运动在掌握好基本的处理方法和规律后，可以设置不同的情景来进一步理解和掌握平抛运动的规律。

如利用高山滑雪、飞机投弹，体育活动中打排球拦网等作为背景材料来设置问题。

在研究这些问题时，要教会学生对这些生活材料进行加工、抽象、去掉干扰因素，忽略次要因素，把它变成基本的物理模型，如高山滑雪将人当作一质点来处理，不计空气阻力等，经过加工处理后才能用我们所学的知识来处理。

2.2 以高科技为背景。

以这类知识为背景，对中学生来说总有一种神秘感，能吸引学生的好奇心，激发他们求知热情，其实这类知识中许多原理都是中学阶段能解决的，因此要帮助学生揭开这类问题的神秘面纱，剖析它的基本原理，看清这类的本质所在，抓住基本的处理方法，提炼出原始模型，坚定学生解决这类问题的信心。

如：核聚变反应需要几百万度高温，为把高温条件下高速运动的离子约束在小范围内（否则不可以发生核反应）可采用磁约束的方法（托卡马克装置）如图，在一个环状区域内加上匀强磁场B，“约束”在中空区域中内带电粒子上有各个方向的速度，其中在中空区域边缘处沿切线方向射入磁场的带电粒子最容易穿出磁场的外边缘，设环状磁场的内径R，=0.5m，外半径R2=1.Om，若被“约束”的带电粒子的束的带电粒子都不能穿趣磁场，则磁场的磁感应强度B至少多大？这个问题背景很新颖，以高温下轻核聚变为背景，增添了几分神秘感，但只要对其概括和归纳，就可知道其实质是带电粒子在有界磁场中的运动，原始模型建立了，根据题目所给的条件，问题就迎刃而解了，同时对带电粒子在磁场中运动的规律有一个更深的认识和了解。

2.3 以热点的新闻材料为背景。

这反映物理学科也紧随时代的步伐，走在时代前列，这些材料大多数是以最新发明或最新发生的事为背景，将物理的知识穿插在里面编成具有一定新意的物理试题，让人既能体会到物理学科社会中的地位与价值，又能掌握知识，很合学生的味口。

如神舟系列飞船为背景，编一试题如下：2003年10月15日9时，中国首位太空人杨利伟搭乘“神舟五号”飞船遨游太空，绕地球飞行14圈，并安全在内蒙古中部草原降落，中华民族的“飞天梦”终于实现。

“神舟五号”飞船在返回时先要进行姿态调整，飞船的返回舱与留轨舱分离，返回舱以8km/s的速度进入大气层，当返回舱距地面30km 时，返回舱上的回收发动机启动，相继完成拉出天线、抛掉底盖等动作。

在飞船返回舱距地面20km以下的高度后，速度减为200m/s而匀速下降，此段过程中的重力加速度为g’，返回舱所受空气阻力为f= 1/2pv2S，式中p为大气的密度，v是返回舱的运动速度，S为与形状特征有关的阻力面积。

当返回舱距地面高度为lOkm时，打开面积为1200m2的降落伞，直到速度达到8.Om/s后匀速下落，为实现软着陆（即着陆时返回舱的速度为0），当返回舱离地面1. 2m进反冲发动机点火，使返回舱软着陆，返回舱此时的质量为2.7 x103kg，取g= 1Om/s2。

求：(1)用字母表示返回船舱在速度为200m/s时的质量。

(2)求反冲发动机的平均反推力及反冲发动机对返回舱所做的功。

(3)若飞船绕地球14圈，用时21h，设地球半径为6400km，g取1m/s2，且认为飞船绕地球作匀速圆周运动，试估算飞船正常运行时离地面高度。

此题信息是大，综合性强，但学生通过此题一方面既能了解科普知识，丰富知识面，另一方面，在此背景下设计了许多物理问题，通过对这些问题的解决，提高学生的阅读能力，提取信息，建立物理模型的能力。

3．精心整合归类，构建物理模型随着教学的不断深入，学生接受的信息越来越多，基础知识得到了夯实，能力得到了一定的提高，但许多学生感到越来越困惑，拿到题目不知从何处下手，往往东一榔头西一棒，题目刚开了头又做不下去了，结果半途而废。

导致这类问题出现的原因很多，其中一重要原因是缺乏对所学知识进行归类和总结，因为很多问题虽然题型有差异，研究对象不同，但问题的实质一致，如能对这些“型异质同”的问题进行归类、分析，抓住共同的特征，就能弄通一题，旁通一批，使学生的思考问题的能力得到概括性提高，通过总结和归类才能在大脑中形成对同一类问题解题的基本思路和方法，即建立物理模型，才能摆脱情境的干扰，很快抓住问题的本质，提高解题的效率。

在中学物理教学过程中比较典型的物理过程即物理模型有：①纸带问题；②传送带问题；③追及类问题；④卫星绕地球运动问题；⑤子弹打木块问题；⑥两小球组成的弹簧振子问题；⑦平抛类问题；⑧带地粒子在有界磁场或电场中运动问题；⑨速度选择器；⑩氢原子能级跃迁问题等。

这类问题都是非常典型的物理过程，同一类问题处理手段非常相近。

如我们在动量守恒中总结了“子弹打木块的问题”，通过分析子弹与木块的动量变化能量的转化关系，解决了一大批同类问题。

如将它类推到电场中，如图，小车静放在光滑水平面上，小车上固定一平行板电容器AB，场强为E，其中B板带正电，小车的平板是绝缘且光滑的。