物理模型在高中物理教材中有效运用

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传统教育在许多方面抹杀了学生的主观能动性和创造性，在教学过程中以教师向学生的知识灌输为中心，遵从“知识输入→知识储存→知识提取”这一不变主旋律，把学生仅仅看做是知识的储存器。学生的主动性、创造性得不到充分的发展，反而受到压抑。现在大力提倡创新教育，就要求教师转变教育观念，紧紧抓住以学生为主体这一教学特征，让学生学会思维，掌握处理实际问题的方法，培养学生分析问题、解决问题的能力，而不仅仅是让学生学习必要的物理基础知识。

在物理教学中的教学方法很多，而物理模型教学法可以说是其中很重要的一种方法。纵观物理学的发展史，模型方法在物理学的产生发展过程中发挥了重大的作用。物理学的发展史可以说是一个建立物理模型和用新的物理模型代替旧的物理模型的过程。物理学中的概念、规律和公式等几乎都是借助于物理模型进行抽象概括而来的。可以说，不了解和不掌握物理模型的方法，就学不好物理。

建立正确鲜明的物理模型本身就是重要的物理内容之一，它与相应的物理概念、规律现象相依托，它是物理教学的重要方法和有力的手段之一。同时了解物理模型的迁移和转化，对于物理逻辑的培养和学习能力的提高具有深远的影响，所以我们应充分重视物理教学中的物理模型教学法的作用。

下面，我们就针对在高中物理教学过程中出现的模型问题从三个方面进行讨论。

一、利用物理模型强化对物理知识的理解

在高中物理的学习中有很多容易混淆的概念和规律，我们如何区分这些知识对与我们理解和运用物理规律解决实际问题就有重要的指导作用。这里就针对力学的中的几种容易混淆的概念模型进行比较。

学生通过比较，可以很清晰地区分这些相接近的概念间的差异，在解决问题中有了明确的方向，提高了学习效率。

二、利用典型物理模型促进物理知识的学习

在高中物理学习中，单摆是一个非常典型的物理模型。学习、理解、运用单摆这一模型对于我们学习简谐振动有很重要的意义。现在，我们就来具体讨论这个问题。

1.典型物理模型的学习

在教学中设计对比实验，观察并分析实验现象，逐步建立模型。

先让学生观察下列对比实验：

（1）两个质量不同，但摆长振幅相同的单摆振动。

（2）两个摆长相同，但振幅不同（摆角都小于5度）的单摆的振动。

（3）两个摆长不同的单摆的振动。

通过这一组演示实验激发学生学习探究兴趣，形成对单摆这一理想模型的初步认识。进而展开对物理现象的分析：

（1）实验器材：轻质绳（不可伸长）、小重球（密度大）；

（2）实验的条件：小摆角（小于5度）；

（3）实验的结论：等时性（来回摆一次时间相等）。

深入分析（运用抽象、近似等方法）可以得出单摆周期T=2π。经过分析使单摆模型的物理表面与本质特征统一起来。

2.典型物理模型的迁移

在物理学习中，不仅要学习一些典型的物理模型，而且要巩固发展物理模型，将其放在一个更复杂的新环境中去加以应用，促进物理学习能力的提升。举例说明：

竖直平面内有一半径为R的光滑圆弧轨道，a、b两小球分别置于轨道圆心O点和离轨道底A点很近的B点处，如图1所示，将它们同时由静止释放，忽略空气阻力，问谁先到达A点？（此题求解的关键是对两小球建立物理模型。）

分析如下：

首先，“小球”是一模糊语言，但从题目分析来看，可将球a、b大小忽略，抽象为质点模型。

其次，由“静止释放”、“忽略空气阻力”、“A点很近的b点处”、“光滑轨道”等描述。可将a球运动转化为自由落体运动模型，而b球的运动转化为单摆模型（联想到光滑轨道对小球b支持力N相当于单摆运动过程中摆线对摆球的拉力）如图2所示。

最后，对两小球分别运用自由落体运动规律和简谐运动规律进行求解。

对典型物理模型的学习和迁移可以使我们在解决问题时能够迅速抓住问题的核心，对于我们学习物理有很大的帮助。

三、利用重要物理模型提高物理知识的学习能力

在高中物理学习的过程中，有许多重要的物理模型是我们在学习物理知识的过程中应及时总结并加以应用，这就要求我们在教学过程中有意识地对重要模型加以分析和归纳。

下面我们来讨论在高中阶段对学生解决问题有重要帮助作用的柱体微元模型。学生从单个质点牛顿力学的学习，到连续介质（流体、电荷等）问题的求解过程中，研究的对象从一个质点跃迁到无数质点组成的连续介质，也要求学生解决问题时的思维上升一个台阶，通过运用微元柱体这一物理模型可以突破这类学生感到困难的问题。

1.质量柱体微元模型

对于速度为v定向流动的密度为ρ的连续流体，可在v方向选取一横截面积为S的柱体微元，则在Δt时间内通过S截面的流体质量即为以vΔt为高、以S为底的柱体微元的质量，如图3所示。柱体微元质量表达式为：Δm=ρSvΔt。

举例说明：

人的心脏每跳一次大约输送8×1的血液，正常人血压（可看作心脏压送血液的压强）的平均值约为1.5×10Pa，心跳约每分钟70次。据此估测心脏的平均功率约为多少瓦？

分析如下：

对该问题的解决不能只停留在原有的情景上，而应将问题转换成我们熟悉的问题来解决，即通过认真读题后，把实际问题加工改造成相关的物理模型来处理。如图3所示，将心脏每跳动一次输送的那部分血液视为一长为L，横截面积为S的液柱。血液柱受到心脏的推力为F，每次心脏推动液柱前进的位移为L。由压强公式P=FS可知，心脏每跳动一次，推动血液做的功为：W=FL=PSL=PV其中V为心脏跳动一次输送血液的体积。因心脏每分钟跳动n=70次，故心脏的平均功率应为：P=nW/t=70W/t=1.4W。

2.电荷柱体微元模型

类似于质量柱体微元的建立，对于速度v定向连续移动的电荷（导体中传导电流或真空中电流），也可以在v方向选取一横截面积为S的柱体微元，则Δt时间内通过S截面的电量即为以vΔt为高、S为底面积的柱体微元中的电荷的电量。柱体微元电荷表达式为：

ΔQ=NeSvΔt。其中N为单位体积中的自由电子数，e为电子电量。

举例说明：

设导线横截面积为S，其中单位体积内的自由电子数为N。在电压作用下，自由电子定向移动速度为v。试求导线中的电流强度。

分析如下：

在Δt时间内取一段长vΔt的导线为研究对象，则在Δt时间内流过S截面的电为ΔQ=NeSvΔt由电流强度定义I=ΔQ/Δt及上式得：I=NeSv，此式即为电流强度的微观表式。

对于重要的物理模型，我们在教学过程中要让学生理解透彻，同时逐渐学会将实际问题转化为物理模型的本领，从而提高学习能力。

在高中物理教学中运用物理模型教学法，对于学生学习物理知识具有很大的指导作用，具体体现在以下几个方面。

（1）有利于学生形成清晰的物理概念。物理概念是反映物理现象和过程的本质属性的思维形式，是物理事实的抽象，这不仅是物理基础理论知识的一个重要组成部分，而且是构成物理规律和公式的理论基础，物理概念中有相当一部分是以模型的形式出现（概念模型）。它们是物理现象和事实抽象出来的，用来表征物质属性和描述物质运动状态的。学生对物理模型这个科学方法的精髓是否领会，直接影响他对有关概念的理解、掌握和运用，影响对物理知识整个大厦的构建，因为概念是构建这个大厦的基石。

（2）有利学生对物理规律的正确理解。物理规律是物理知识的骨架，是物理学的核心的内容。物理学中所总结出的反映运动变化的规律实质上就是物理模型的运动变化规律，从研究的主体对象到研究的过程无不体现模型观点和方法。物理规律的教学过程实质上是帮助学生学习物理模型，运用物理模型，有助于学生对物理规律的深刻理解，有利于学生对物理意义领会，准确把握物理规律的成立条件和适用范围。

（3）有利于学生解决实际问题。每一个具体的物理问题所描述的物理现象或过程都对应着一定的物理模型，要解决问题必须要对对象进行抽象简化和近似处理，以建立起一个合适的物理模型，若模型建立起来了，就等于已经揭开了掩盖着物理现象和过程本质的面纱，必要时再用等效、类比等方法将问题进行异形处理（异化构建模型），问题就迎刃而解了。

在当前教育界把培养学生的创新能力和实践能力作为素质教育主旋律的大背景下，以及国外物理教育改革的方向，我国的物理教学也将更多地面向科学、技术和社会。因此，在中学物理的教学中要有意识地向学生渗透和灌输物理模型的思想，培养学生的学习和掌握物理模型的能力。这不仅是学好物理书本知识的客观需要，而且是素质教育的必然走向。