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物理模型在高中物理教学中的运用

作者：李秋荣

来源：《中学教学参考·理科版》2010年第04期

一、物理模型在教学中的作用

1.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。

2.对学生的思维发展、解题能力的提高起着重要的作用。可以把复杂隐含的问题化繁为简、化难为易,起到事半功倍的作用。

3.可以提高学生理解和接受新知识的能力。例如,在运动学中建立“质点”模型,为以后学习电学中的“点电荷”模型、光学中的“点光源”模型等奠定了良好的基础。 二、构建物理模型的途径

模型,是一种理想化的物理形态,是物理知识的一种直观表现。科学家作理论研究,通常都要从“造模型”入手,利用抽象、理想、简化、类比等方法,把研究对象的本质特征抽象出来,构成一个概念或实物的体系,即形成模型。一般说来,构建物理模型的途径有四种。 1.明确物理过程,构建准确的物理模型 【例1】 如图所示,两大小不同的圆形薄板, 质量分别为M和m(M=2m),半径分别为 R和r,两板之间用一根长

轻质绳

处,两板一起自由下落,支架

相连接。开始时,两板水平叠放在支架C上方高 上有一个半径

解析:本题可分为以下几个阶段:

⑴两板自由下落(两板可抽象为一个质点模型)。

⑵大圆板与支架相碰,且没能量损失(弹性碰撞模型)然后小圆板继续下落。 ⑶绷紧瞬间,两板通过绳的相互作用获得共同速度(完全非弹性碰撞模型)。 2.紧扣关键词句,构建物理模型

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【例2】 如图所示,一个U型导体框架,宽度为

其电阻可以忽略不计,与匀强磁场的平面垂直

质量

滑的最大速度。

解析:题目中求“最大速度”几个字, 是提示物理模型的关键性词句。最大者,意 在指不可再增加,就是说,导体ab将以此 速度沿导轨斜向下作匀速直线运动。

从这几个字出发,通过抽象思维,同学们在头脑中应建立这样一幅物理图像:导体ab开始下滑时,速度为零,在斜轨上受下滑力(重力的分量)作用,加速度最大;随着下滑速度的增加,导体ab产生的感应电动势增加,感应电流增加,磁场对导体的安培力也增加;由于安培力和下滑力方向相反,所以导体的加速度越来越小,而速度仍越来越大;当下滑速度大到使安培力和下滑力平衡时,加速度为零,速度不再增加而以此最大速度做匀速直线运动。据此模型,就不难找到导体ab平衡的物理条件。

3.抓住问题的本质特征,构建物理模型

通过对理想化模型的研究,可以完全避开各种因素的干扰,在思维中直接与研究对象的本质接触,能既快又准确地了解事物的性质和规律。例如,建立起“单摆”这一理想化模型后,理解了单摆的周期公式,可以解决类似于单摆的一系列问题:在竖直的光滑圆弧轨道内作小幅度滚动的小球的周期问题;在竖直的加速系统内摆动的小球的周期问题;在光滑斜面上摆动的小球的周期问题。

【例3】 如图所示,在竖直平面内,放置一个半径很大的圆形光滑轨道,O为其最低点。在O点附近P处放一质量为m的滑块,求滑块由静止开始滑至O点时所需的时间。 解析:滑块m向圆弧最低处的滑动不同于沿 斜面的滑动,这是一个复杂的变速曲线运动, 显然用牛顿定律、动量定理等方法都难以求解。 但如果我们已经掌握了单摆模型的本质特征,

就可以判断滑块受力情况与单摆相同:因为滑块从P点运动到O点的半径夹角小于所以,完全可以把滑块的运动等效为单摆的摆动模型。

电阻

其所在平面与水平面 交角

。今有一条形导体ab,其

跨放在U型框架上,并能无摩擦地滑动。求导体ab下

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三、高中物理中常见的物理模型

1.物体所处的条件模型化条件模型就是将已知的物理条件模型化,舍去条件中的次要因素,抓住条件中的主要因素,为问题的讨论和求解起到搭桥铺路、化难为易的作用。条件模型的建立,能使我们研究的问题得到很大的简化。如力学中的光滑面,热学中的绝热容器,电学中的匀强电场、匀强磁场。

2.物理对象模型化物理中的某些客观实体,如质点,舍去物体的形状、大小、转动等因素,突出它所处的位置和质量的特性,用一有质量的点来描绘,这是对实际物体的简化。类似质点的客观实体还有点电荷、点光源、薄透镜、弹簧振子、单摆、理想气体、理想电流表、理想电压表等等。

3.物理状态和物理过程的模型化过程模型就是将物理过程模型化,将一些复杂的物理过程经过分解、简化、抽象为简单的、易于理解的物理过程。可见,过程模型的建立,不但可以使问题得到简化,还可以加深学生对有关概念、规律的理解,有利于培养学生思维的灵活性。 4.物理中的数学模型客观世界的一切规律原则上都可以在数学中找到它们的表现形式。在建造物理模型的同时,也在不断地建造表现物理状态及物理过程规律的数学模型。单摆作简谐运动时,为什么要求摆角小于正比,才满足简谐运动的条件。 四、使用模型应注意的问题

模型的建立是有一定条件的,不是随意的。建立物理模型,可使问题的处理大为简化,而又不会发生大的偏差。现实世界中,有许多事物与这种“理想模型”十分接近,在一定场合、一定条件下,作为一种近似,可以把实际事物当作“理想模型”来处理,但也要具体问题具体分析。例如,在研究火车从北京开往南宁的时候,由于北京与南宁距离比火车的长度大得多,火车的形状、大小可以忽略不计,这样就可以把火车当作一个“质点”来处理;但在研究火车过桥时,火车的形状、大小不可以忽略,不能把火车当作一个“质点”来处理。可见同一物体在不同的场合模型可能不同,所以在处理问题时要慎重考虑。

物理学是一门研究物体最普遍、最基本的运动形式的自然科学,而所有的自然现象都不是孤立的。这种事物之间复杂的相互联系,一方面反映了必然联系的规律性,同时又存在着许多偶然性。例如,在研究物体的机械运动时,实际运动往往非常复杂,不可能有单纯的直线运动、匀速运动、圆周运动。为了使研究变为可能和简化,我们常采取先忽略某些次要因素,把问题理想化的方法,如引入匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速圆周动和简谐运动等理想化的运动。这就是先建立物理模型,然后在一定条件下,用于处理某些实际问题。

这是因为只有在这种情形下,单摆的回复力才近似与位移成