高中常用物理模型归纳

陈金朋

摘 要：高中物理教学研究对象是自然界基本的物质结构和普通的运动形式，而在实际生活和生产中物体、条件和过程复杂多变，对物体、条件和过程的研究就要抓住其主要特征，而舍去一些次要因素进行合理的简化。在教学时，将这一简化过程，称为构建物理模型。由于物理模型是同类通性问题的本质体现和核心归纳，构建物理模型一直是中学物理教学的重要内容，它对提高课堂效率，培养学生能力很有作用。本文通过结合具体题例，对高中阶段三种常用物理模型的分析，探究如何培养和激发学生创新能力的方法。

关键词：构建物理模型；抓住主要特征；舍去次要因素；培养创新能力

作为一线物理教师都清楚，解决物理问题通常可分为四个环节：审视物理情景；构建物理模型；转化为数学问题；还原为物理结论。而在这四个环节中，学生最难掌握的是构建物理模型。构建物理模型就是在物理教学研究中，为了研究问题的需要，抓住原型问题的主要特征，而舍去一些次要因素，合理的简化然后用它代替原型进行研究的过程。例如：人跑步、轮船在大海中航行，可以把人、轮船当成质点；篮球水平抛出时，就只要考虑篮球所受到的重力，不必考虑篮球受到的空气阻力；运动员的跳水问题也可以简单看成是一个“竖直上抛”运动物理模型。因此不难看出物理模型是同类通性问题的本质体现和核心归纳，高中常用物理模型可归纳为以下三种模式：

1 对象模型

对象模型就是把研究对象本身理想化，用来代替由具体物质组成的实体系统。常用的如“力学”质点、轻杆、轻绳、轻弹簧、弹簧振子、单摆；“热学”理想气体、绝热物质；“光学”光线、点光源；“电磁学”点电荷、理想电表、理想变压器、匀强电场、匀强磁场；“原子物理”卢瑟福行星式模型、波尔的原子模型等等。学生对上述的对象模型理解，合理的抽象，就可以快速构建物理模型，轻松解题。如已知在竖直墙壁上挂着一幅长1.80m的画，画本身的质量为100g，下端画轴质量为200g，将它沿墙缓慢竖直卷起，取g=10m/s2，需要做多少焦耳的功 [1 ]。许多学生拿到题目后，不知从何处入手，这就是他不能有效地构建对象模型。这时，我们教师应要启发学生抓住主要特征，稍微对学生点拨一下：本道物理题目中缓慢竖直卷起的画，可拆解为两部分：第一部分卷起“1.80m，100g的画”看成抬高“0.90m，100g的质点”。第二部分卷起“下端的200g画轴”看成同时举高“1.80m，200g的质点”，模型构建起来后，解这道题就轻松多了。这样，教师既澄清了学生解这类题目的思路，又培养了学生的能力。

2 条件模型

条件模型就是把研究对象所处的外部条件理想化，突出影响研究对象运动的本质特征和主要因素，排除影响研究对象运动变化的次要成份，从而构建的物理模型。常用的如“抛”“跳”运动，可以忽略了空气阻力和风力的影响，只要考虑物体受重力作用；带电粒子在电磁场中运动只要考虑电场力、磁场力作用，而忽略了重力的影响；人体心脏收缩可简化为“做功活塞”等等。如图1所示，匀强磁场的边界为平行四边形ABCD，其中AD边与对角线BD垂直，一束电子以大小不同的速度沿BD从B点射入磁场，试讨论电子在磁场中运动时间与射出位置的关系 [2 ]。要解本题需要忽略电子的重力和电子间的相互作用，只考虑洛伦兹力的作用，电子做匀速圆周运动，讨论在AB边或AD边射出的两种不同情况就可以。作为教师就要尝试用多种手段去帮助学生抓住原型问题的主要特征，而舍去一些次要因素，合理简化研究对象所处的外部条件，从而提高课堂效率，事半功倍。

3 过程模型

过程模型就是把具体物理过程理想化。理想化的物理现象或过程有：匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速圆周运动，平抛运动、简谐振动等，高中物理教学常把上述运动的一个或几个过程组合加以命题，考查学生的分析问题的能力。2011年厦门联考卷中有：如图2所示竖直平面内有相互垂直的匀强电场和匀强磁场，电场强度E1=2500N/C方向竖直向上；磁感应强度B=103T，方向垂直纸面向上，有一质量m=1×10-2kg电荷量q=4×10-5C的带正电小球自O点沿与水平线成45°角以v0=4m/s的速度射入复合场中，之后小球恰好从P点起进入电场强度E2=2500N/C，方向水平向左的第二个匀强电场中，不计空气阻力，g取10 m/s2，求：（1）O点到P点的距离s1；（2）带电小球经过P点的正下方Q点时与P点距离s2。

本题在当年我校考试时，得分情况很不理想，归根结底是学生不能有效地进行过程分析，构建过程模型的结果，在O到P的过程中，由于小球受的重力和电场力大小相等，方向相反，相互抵消，只受洛伦兹力作用，小球做匀速圆周运动；在P到Q的过程中，由于小球的重力和电场力的合力与射到P点的速度垂直，小球做类平抛运动。只要这两个过程分析出来，构建起模型解这道题目也就不难了。可见，在高中物理教学中，注重把具体物理过程合理抽象转换成理想化的物理现象或过程是十分重要的，是我们教师首先要牢固掌握并熟练运用的教学手段。

上述的三种构建物理模型方式，不管哪一种都是一项创造性的思维活动能力，加强对常规模型的分析、探讨和挖掘是培养学生创新能力的根本；而对“物理模型”的迁移和应用、重组“物理模型”，不断激发学生的灵感，探索方法是创新能力的特质；升华构建新的物理模型是教学的最高目标，最终指向。

在平时教学中，我们往往对物理模型的研究范畴和着眼点只局限于单一知识板块，如“子弹打击木块的模型及其应用”，“汽车运动两个模型”“斜面问题”的研究等等。这样看似也是许多模型的构建与应用，虽然也会帮助提高解决问题的效率，但学生对众多物理模型的组合毕竟只能呈现无序状态，没有系统，导致学生只能照搬硬套，囫囵吞枣。这样当解题条件有所变化时，学生就无法识别模型，而往往难以入手。

总之，一线物理教师要更加充分认识构建物理模型的必要性，有的放矢，合理迁移、应用和重组“物理模型”不断激发学生的灵感，从而更有效提高课堂教学效率和培养学生创新能力。

参考文献：

[1]宋树杰.新课标高中物理2（必修）导与学（福建专版）[M].济南：山东科学技术出版社，2012.

[2]宋树杰.新课标高中物理（选修3-2）导与学（福建专版）[M].济南：山东科学技术出版社，2012.