浅谈物理模型在教学中的作用

谈物理教学中的物理模型构建

安徽省天城中学黄飞（231480）

【摘要】物理模型教学中将最基础最典型的物理知识、物理问题介绍给学生，并通过建立物理模型，将研究方法也展示给学生，引导学生思考、感悟以至升华。培养能力是落实课改的措施，知识是能力的载体。这就需要我们在教学中注意对学生进行物理模型的总结归纳。

【关键词】物理模型物理模型教学科学性策略性理想化

物理是高中理科中学生普遍感觉到比较难的一门学科。物理课堂教学既是科学又是艺术，有其自身的科学性和策略性。高中物理学习，主要是学生个体智力活动的过程与教师课堂教学的高效结合的过程。学习物理，模型的建立非常重要，不管是那方面的物理学，最重要的是建立物理模型。特别是力学与运动学，遇到一个物理问题我们首先要将它联想到一个相关的物理模型。将复杂的；抽象的问题化为简单的；直观的问题。

下面是高中物理教学中经常用到的几种物理模型

（1）研究对象的理想化模型

例如：质点物理模型，它忽略了物体的形状、大小、转动等性能，突出它所处的位置和质量的特性，用一有质量的点来代替。如当物体本身的大小在所研究的问题中可以忽略或对研究问题没有影响，能当作质点来处理；质点的概念是一种科学的抽象，是理想化模型。这种抽象正是抓住问题的实质，只要我们在教学过程中注意培养学生抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，逐步建立这种物理模型。以后遇到类似质点的客观实体比如：刚体、点电荷、点光源、理想气体、匀强电磁场等物理模型，学生就会自己分析学习了。

（2）物理状态和物理过程的理想化模型

例如：运动学中的匀速直线运动、自由落体运动；动力学中的完全弹性碰撞；电学中的稳恒电流，

（3）理想化实验物理模型

在实验的基础上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，根据逻辑推理法则，对过程进一步分析、推理，找出其规律。例如，伽利略的理想实验为牛顿第一定律的产生奠定了基础。

（4）研究对象的条件的模型

当研究动量守恒定律时，当系统的内力远大于外力时，系统的动量守恒；当研究带电粒子在电场中运动时，因粒子所受的重力远小于电场力，可以舍去重力的作用，使问题得到简化。力学中的光滑面；电学中的匀强电场、匀强磁场等等，都是把物体所处的条件理想化了。

培养学生建立和正确使用物理模型不仅有利于学生将复杂问题简单化、明了化，使抽象的物理问题更直观、具体、形象、鲜明，突出了事物间的主要矛盾；而且对学生的思维发展、解题能力的提高起着重要的作用。可以把以有物理模型的知识和将来探索的新知识相类比，起到模型的迁移，到达事半功倍的效果。

1．动能转换内能类型

例1．如图所示，倾角为θ

轨相连，连接处是光滑的圆弧。水平导轨上

存在有磁感强度为B的竖直向上的磁场。同

时水平导轨上有质量为m、电阻为R的导体

棒b。一根与b完全一样的导轨a自斜面高为h处开始下滑，运动过程中，a、b始终不

发生碰撞。导轨无限长，电阻不计。问此过程中，两根导体棒产生的热量为多少？

分析：此道题初看起来是有关电磁感应的题目。通过产生的电动势大小来计算电流，再

通过电功来计算热量。但一算起来就很复杂，时间t=?,ε=? 但假如通过动量与能量的

变化模型来求就很容易！因为导轨表面光滑，没有摩擦力做功，在水平面上相互作用时动

量守恒。因此只要先求出导体棒在水平面时的初速度，再根据动量守恒求出末速度，再根

据动能的损失就可求出热量来。

解：导体棒a 滑到水平面过程中机械能守恒,设水平时的速度为v 0

∴mgh=

21mv 20 ∴ v 0=gh 2 水平面上动量守恒，设末速度为v t 则有

mv 0=(m+m)v t ∴v t =2o v =22gh

△E K =21mv 02 - 21(m+m)v t 2= 2

mgh △ Q = △E K =2

mgh (J) 评析：在这道题中我们是通过力学模型来解决电学问题。此类型的题目以能量转化为联

系点，解题时往往把不同形式的能综合起来考虑，把求电能转换为求动能的损失。与此类似

的还有求安培力做功时，有同学总认为功就必须用W ＝F ·S 来求。其实安培力做功往往就与

产生电流有关，而且安培力做功就转化为内能，我们可以用电学的相关知识来解。

2．弹力做功转换重力做功类型

例2．如图所示，一条长度为L ，质量为m 的均匀绳子两端分别挂在A 、B 两点上，A 、

B 高度差为h ，若已知绳子在A 点的张力等于T A ,求绳子在B 点的张

力T B

分析：此题目看起来很难，用正交分解法，确定不了角度的关

系，矢量三角形法又很难确定各个力的方向关系。但假如对机械能

模型熟悉的话就可以利用重力做功来解决，通过取一小段绳子△l 从A 移到B 重力做功来计

算。

解：假设绳子在A 点有一定余量，我们在A 点放出很小的一段△l ，而在B 点把这一小

段收起来，很明显，在这一过程中，外界对绳子所做的功为

W ＝（T B -T A ）△l

这个功使得长度为△l，质

L l

m∆

的一小段绳子的重力势能增加了

L l

m∆

gh(相当于这一小段绳子从A点移到B点)，因而

（T B-T A）△l＝

L l

m∆

gh ∴T B = T A+

L

mgh

评析：这道题是通过建立能量变换模型来解力学问题。我们求的虽然是弹力，除了用受力分析以外，我们还可以用与力有关的模型来解。用功能关系来解决力学问题的好处在于在：做功可以不考虑中间过程，只要知道始末状态的相关物理量就行了。与力有关的模型还有：平衡种类模型、牛顿第二定律模型、弹簧模型等等。

3.在斜面或圆环上运动的时间最短模型

例3．矿山中经常要把开采出来的矿石运到某处堆积起来，为了节省就使用传送带来输送矿石。如图所示，矿石从高为h的A处开始沿管道下落到传送带上，问在不考虑管道摩擦力时，管道应如何放置才能使矿石下落的时间最短？

分析：这个问题很多同学不假思索就会认为是沿AC或AB

管道下落时间最短，因为AC距离短，AB加速度大。

其实AB、AC都不是下落时间最短的通道。那么，这道题适用

那种物理模型呢？在解决这个问题前，我们来先看另一个问题：一个光滑的圆环，物体从顶点O沿不同的轨道OC、OB、OD下滑，滑到环上的时间那一个最短呢？很显然，我们可以

面那道题呢？

解：在竖直线AB上取一点O，O到传送带和A

相等，交于传送带上的D点。以O为圆心，OD为半径画圆，

分别交AC、AB于E、F，再由连接AD。由刚才的情况可知，

从顶点A到达E、D、F 的时间相等，若走 AC、AB则需多

走CE、FB部分的时间，所以走AD的时间最短。

评析: 这道题应用了圆周上运动时间相同这一运动学

为45º时的路径所需的时间最短。如图所示：

证明：设斜面的长度为s,下落的加速度为a，时间为t，