高中物理教学模型的构建与应用

龚红梅

（郑州幼儿师范高等专科学校，河南 郑州450000）

物理是一门相对来说比较难的基础学科，但是高中物理教育不仅开发学生思维还提高了学生学习能力，在高中教育阶段有着举足轻重的作用。 为了提高物理教学水平，构件物理模型进行物理教学得到了普遍关注。物理教学模型构建和运用对提高物理量教学水平具有重大意义，一方面它使物理教学克服以往纯语言的教育，更加容易理解，另一方面物理模型的构建更加容易为物理学研究培养有实力的人才。

1 物理模型的构建过程

物理模型的构建是在物理理论的指导下，以客体的外在现象为前提，对客体外在现象与内在本质进行逐层剖析研究，然后经过抽象以及推理对研究客体和客体的内在本质做一定的描述。物理模型的构建的过程比较复杂，可以简单概况为：抽象、类比、假说、形象思维四个过程。

1.1 抽象思维

大脑首先对所研究的客体外在现象进行加工处理，根据大脑分析结果选择忽略次要因素，重点突出客体的主要因素及主要矛盾，建立能够科学反映客体的主要矛盾的抽象思维。抽象思维是客体经大脑处理后对客体的本质做出的理性描述， 是感性认识到理性认识的升华。例如质点，众所周知任何一个物体都有自己的形状和大小，但是对于有些研究物体的形状大小对研究的结果影响不大， 甚至可以忽略不计，这是不论物体的大小有多大，我们都将物体看做一个有质量的点。

1.2 类比思维

自然界的万事万物之间皆有联系，因此在物理模型时可以采用类比思维依据以往的类似模型的思维建立新的物理模型。但是物理模型建立必须经过严格的论证，保证模型的科学合理性，不得违背基本理论。 例如，惠更斯根据声波传播过程中的衍射现象采用类比思维建立了光在介质中传播的物理模型， 从而发现了光传播过程中的衍射现象，更加完善了波在介质中传播的模型，翻开了光学研究的新篇章。

1.3 假说思维

物理模型的建立过程中需要以在客体外在现象为前提，逐一排除非决定性的因素，建立由决定因素控制的科学模型。 但是非决定因素的划分没有统一固定的理论可以依据，划非决定分时具体问题具体分析，有些因素对研究客体的影响并不确定，无法将其进行科学划分。为了方便构建物理模型，常常先将其假定为非决定因素，然后对模型进行论证。 利用假说思维建立的物理模型需要进行更加严格的论证，保证模型能够科学合理地反映研究客体，有时为了保证模型的科学性对研究客体的进行多种假设，建立多种假说模型进行比较。 其中典型的假说的代表如波尔的原子结构模型。

1.4 形象思维

物理模型的建立以研究客体外在现象为前提基础，经过大脑加工将对客体的感性认识升华为理性认识。物理模型建立的过程首先是大脑通过客体感性认识形成直觉思维产物， 并在此基础上形成形象思维。 可以说物理模型的建立过程是直接思维向形象思维的转化过程。

2 构建物理模型在教学中的运用

物理模型教学作为一种重要形象的教学手段，能够很好的应用于中学物理教学当中，有助于提高学生的创新和实践能力，起到启迪学生运用更加形象的手段来解决问题，在此结合新课改中物理模型教学的要求，构建单摆模型和运动状态模型来阐述模型构建的具体方法和步骤。

2.1 单摆模型的构建

2.1.1 教学目标

单摆能够模仿生活中常见类似的机械振动，通过单摆简单重复的机械运动来模仿复杂的机械摆动能够有效的简化计算。单摆是一种理想化的模型，构建模型较为简单，通过单摆模型的构建能够清晰的说明物理模型构建的基本思维方法。

2.1.2 情景创设

注明物理学家伽利略曾经在大学期间数着自己的脉搏数进行祈祷，无意间观察到天花板上的吊灯摆动规律和脉搏跳动具有一定的相似性，即摆动和跳动周期是一个相同的时间，在此基础上他努力研究创造了自己的单摆模型。

演示实验为将金属小球用细线悬挂于铁架台上，在小球上作用力使其偏离一个较大的角度，然后撤去力后，小球会在一个位置两侧来回摆动。

2.1.3 构建单摆的理想化模型

在应用于教学当中时要充分发挥学生的主动性，在对相关知识讲解完成后，要让学生明白模型的形成条件，例如要简化为单摆需要满足的要求有以下几项：

细线可以认为是刚性线段， 即在摆动中不会发生拉伸或收缩；细线的质量较轻，能够忽略不计；和小球直径相比，细线程度要大于一定比值，即可将小球看做是一个点；小球的质量要均匀，密度合理，可以将其看做质点的运动。

所以根据单摆运动和建立的单摆模型可以知道，模型的建立要先观察其运动规律，根据运动现象分析抽象得到运动特点，进行简化建立抽象模型。

2.2 物理运动状态模型的构建

2.2.1 教学目标分析

在自然状态下运动的物体也会随着外界条件的变化，不断改变运动状态，在解决实际问题时，如果不进行基本假设并建立物理模型是不可能得到可靠结果的。举例如汽车在圆形弯道上行驶时属于圆周运动， 运动过程中汽车在弯道上行驶所需的向心力是由静摩擦力提供的，但静摩擦力是存在最大值的，当向心力超过最大静摩擦力时，汽车就会偏离运行轨道，在分析这个问题时就要建立圆周运动模型，通过对比力的大小来处理实际相关问题。

2.2.2 情景创设

汽车在道路上行驶时遇到紧急情况，采用何种方式能够更好的避免和降低车祸，例如假设汽车的最大静摩擦力等于滑动摩擦力，当汽车执行遇到突然状况是急转弯好还是急刹车好？

2.2.3 构建理想化模型动

上述情景中，汽车遇到紧急状况时不论采用哪种处理方式都是要尽可能的避免事故的发生，或减小事故造成的危害，但建立物理模型时需要采用不同的理论分析，这就要求学生分析两种措施分别的运动规律，满足了什么条件。 急转弯汽车做圆周运动，静摩擦力提供向心力，当圆周运动半径小于举例前方障碍物时，不会发生交通事故，负责会发生碰撞。 急刹车则是在滑动摩擦力下做减速直线运动，当到达前方障碍物时速度为零时，不会发生交通事故，这时可以通过假设建立匀变速直线运动模型进行分析。

2.2.4 解答

急转弯时匀速院中运动向心力由静摩擦力提供，

μmg=mv2/r

r=v2/μg

式中：m 为汽车质量；μ 为汽车与地面的动摩擦因素；r 为匀速圆周运动的最小半径。

急刹车时假设汽车做匀减速运动，受到的阻力为一定值，则：

F=ma=μmg

a=μg

汽车行驶距离为：s=v2/2μg

式中：F 为汽车受到阻力；a 为汽车加速度。

2.2.5 点评

上述算例的关键是建立合适的物理运动模型，只有通过物体的运动规律和特点，合理推断出其更加趋近于哪种物理运动，才能在假设的基础上更好的分析问题。

通过物理模型解决实际问题能够使学生更加灵活的运用所学知识，建立起良好的知识结构，有助于学生对物理综合知识有一个更好的认识，增加学习兴趣。但目前的教学当中，对物理模型的教学研究还存在很大的不足，学生和老师在这方面还缺少一定的认识，在未来一段时间还需要物理教学进一步的改革和研究，将物理模型教学真正的普及各个教学班级，强化学生的素质教育。

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