高中物理教学中物理模型的构建与应用

张珍珠

【内容摘要】高中物理教学当中涉及许多比较抽象的知识和原理，让学生在学习和解题时常常无从入手，因此教师在教学当中很有必要通过构建和应用物理模型来进行教学。文章主要介绍了物理模型的含义和构建原则，并分析了在高中物理教学当中构建和应用物理模型的意义和具体应用。

【关键词】高中物理 物理教学 物理模型 构建

一、前言

物理是高中教学当中非常重要的一门学科，但其抽象的知识原理也让许多学生觉得比较难懂难学，甚至厌恶物理学习。因此在高中物理教学中应用物理模型辅助教学，能帮助学生理解物理问题，同时能够更直观的解决物理问题，继而提高学生学习物理的兴趣。

二、物理模型的含义和构建原则

（一）含义简介

构建物理模型指的是在物理学当中把问题做简化，继而构建起来能够解决实际问题的一种比较有效的方式，也可以称作是物理学的思想方法。我们可以将其归纳为：把生活和自然界当中存在的问题做提炼之后把问题抽象成一种物理模型，以实物或画图形式直观的表达认识对象的特征，然后解出答案并验证其是否合理，将构建的物理模型所得到的结果来解释现实中存在的问题并对这一物理知识进行应用就是物理建模。

（二）构建原则

构建物理模型能够具体的反映出具体事物其物理上的本质，然后抽取出其原型当中存在的主要物理特征，再使用科学知识以及物理试验数据作为模型构建的支撑。所以，我们在高中物理教学当中构建和应用物理模型就一定要坚持科学合理这一基本原则，绝不能随意构建。总的来说，我们在构建物理模型时必须遵循的原则包括下面几点：

第一，模型要能够反映出研究对象其本质上的特征。质点力学中建立的第一个、也是最简单的物理模型是质点。如果一个物体自身的线度与它的运动范围的线度相比微不足道，或者在所研究的问题中允许忽略物体各部分运动状态的差异，这样的物体可按质点模型处理，否则就要按其实际形状讨论。同时构建电场和磁场等相关的物理模型时也需要遵循这一原则，只有这样我们才能确保在教学当中能够通过物理模型的构建来让学生可以深入理解相关概念和原理并真实的反映出事物的原型。

第二，构建模型时要以实验作为依据。构建物理模型绝不可以随意进行，其构建的基础是科学知识以及物理实践。因此构建物理模型时一定要以实验为依据，所有的修改和适用范围等都一定要坚持这一基本原则。例如牛顿第一定律是牛顿在伽利略和笛卡儿等人的实验和论证的基础上进一步总结和科学推论而得出的。

三、高中物理教学中构建物理模型的意义和具体应用

（一）意义

1.帮助学生理解物理含义和原理。在高中物理教学当中构建和应用物理模型，要科学分析和归纳物理现象，通过抓取物理现象的本质要素，去除次要因素从而构建出物理模型。同时还要通过物理量来量化，让物理概念之间存在的联系上升为物理规律。在构建物理模型这一过程中让学生参与到其中，这不但能够让学生获取知识，同时也让他们对科学构建研究问题的方法有了更深层次的认识，提高教学效果。

2.提高学生的创造性思维水平。构建物理模型的过程实际上就是一个创造过程，通过对问题的观察和研究分析之后，通过思维来创造一个理想化的模型。所以教师在课堂当中引导学生构建物理模型不但能够让学生加深对知识的理解和巩固，同时还可以激发学生的创新能力和学习积极性。

（二）具体应用

1.在实验教学当中构建和应用物理模型不仅能够让学生更直观的理解物理学知识，同时还能够培养学生构建物理模型的能力。由于在现实中空气的摩擦或者接触面的摩擦总是存在的，故大多数的物理学实验都是在模拟与之相关的物理场景或过程，通过抓取物理现象的本质要素，去除次要因素从而构建出物理模型。由此可见在实验教学当中构建和应用物理模型是有其优越性的。

比如我们在教学章节“单摆”当中，教师希望学生能够更好的研究单摆的运动，就可以通过让学生尝试构建相关的物理模型来加深理解。老师可以把学生分成多个小组，让其探讨分析物理模型的构建方式，通过探讨之后可以将分析结果归纳为以下几点：

首先，假设在一定的场合和条件下，认定小球的摆角小于5°时，其振动周期与小球的质量、大小是无关的；其次，准备一组两个悬线一样但质量不等的小球；一组两个质量相等但悬线不一样的小球；一组两个悬线一样且质量相等的小球；第三，进行实验，让第一组与第二组的摆角大于5°，第三组的摆角则小于5°，然后观察情况；第四，学生将观察到的现象做下记录并找出规律，并使用相关理论进行分析，把现象问题抽象化；最后，让学生抓住模型构建的主要因素，然后分小组讨论和单摆运动类似的现象，同时做比较和实验。

2.解答问题时应用物理模型的构建。高中物理知识的原理都比较抽象和简单，但是不少学生在学习完原理之后却很难将其应用到解题当中。因此，在学生积累了一定的知识之后，老师通过教授典型的习题来提高学生物理模型构建的能力。

比如我们可以通过以下实例来构建物理模型，帮助学生解题。已知在水平光滑桌面上放上两个物体A、B，mA= 1kg，mB=2kg，两个物体之间使用不能伸长的细线连着，细线的质量不计，两物体分别受到水平向左的拉力F1=10N以及水平向右的拉力F2=40N的作用，求出两物体间细线的拉力是多少。

由题可知，因为细线不能伸长，同时两物体有共同的加速度，所以在这个问题当中我们可把两物体看成是一个整体来作答。两物体的共同加速度为：

因为物体A受到向右拉力F以及F1拉力作用，则F-F1=mAa，即F=F1+mAa= 10+1×10=20N。

虽然这个问题比较基础，却很典型，因而在应用整体模型上非常合适，尤其是在解答力学问题当中都需要应用到这种整体和局部相结合的理念，如果学生能够巧妙的运用模型构建的话则会使许多问题变得清晰明了，解答问题也会更容易。

3.和数学模型相结合。高中物理和数学有着密切联系，两者不论在知识还是解题方法上都有联系。因此在高中物理教学当中构建并应用数学模型是非常常见且有效的方式。构建数学模型不但能够对相关的物理知识进行简洁明了的阐述，而且还可以让学生的抽象思维变具体。下面我们就通过以下例子来说明。

如图所示，边界OA与OC之间分布有垂直纸面向里的匀强磁场，边界OA上有一粒子源S。某一时刻，从S平行于纸面向各个方向以某一速率发射出大量比荷为q/m的同种正电粒子，经过一段时间有大量粒子从边界OC射出磁场。已知磁场的磁感应强度大小为B，∠AOC=60°，O、S两点间的距离为L，从OC边界射出的粒子在磁场中运动的最短时间t= ，忽略重力的影响和粒子间的相互作用，则粒子的速率为（ ）

由题可知：粒子在磁场中运动做匀速圆周运动，所有粒子的初速度大小相同，轨迹半径相同，弦越短，轨迹的圆心角越小，运动时间越短。入射点是S，出射点在OC直线上，出射点与S点的连线为轨迹的一条弦。作ES⊥OC，如图3所示，则ES为最短的弦，粒子从S到E的时间即最短。由题知，粒子运动的最短时间等于t= ，根据洛伦磁力充当向心力知粒子运动的周期T= ，故该粒子运动轨迹的圆心角θ=120°。已知OS=L，由几何知识求得ES= L，粒子运动的轨迹半径R= L，又根据公式R= ，可求得v= 。故选A。

由以上例子可看出构建数学模型不但能够对相关的物理知识进行简洁明了的阐述，而且还可以让学生的抽象思维变具体。

4.课堂教学中应用物理模型。高中的物理教学当中经常需要用到物理模型，通过对物理模型巧妙合理的构思设计出便于学生理解和记忆的物理模型，以类比、等效的方式让学生在学习高中物理中面对一些陌生的原理和问题时能够通过模型和以前熟悉的物理模型相对应，继而起到启发，更容易理解的作用。

比如在巩固学生对电荷场强和场的叠加原理知识的时候，老师可以通过下面这道题来加强学生对该知识的理解和应用。

设在无限大的金属板的上面距离板块d处有正电荷，其电量为Q，求金属板表面的正电荷正下方P点场强大小是多少。

如果使用普通的思路来解这道题是比较难的，学生甚至无从下手，因为P点的场强是电荷Q和板上感应负电荷在这一处所产生的场强的叠加值。但因为高中学生还没有学过怎么计算板上的感应负电荷于P附近产生的场强值，同时也找不出相对应的物理模型能够和图例匹配。这个时候我们就可以设想并构建一个和平面镜成像相似的“镜面对称”的模型，就是说假设在金属板的下面和正电荷Q相对称的地方有一个负电荷，如下图所示，那么P点周围的场强就可以等效为这一对正负电荷所产生的场强值的和，这样一来就很容易解开这道题了。根据点电荷的场强公式以及场的叠加原理我们可得出其值为：E=2kQ/d2。

四、结束语

在高中物理教学当中构建和应用物理模型能够帮助学生分析和解决许多实际问题，因此老师在教学当中应该积极培养学生构建物理模型的意识和能力，让学生在了解模型构建的原则的基础上，确保模型构建的科学和准确性。同时，老师在教学当中还应该经常通过模型构建来解题，让学生在过程参与当中巩固知识，拓宽思维能力。

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（作者单位：福建省宁德市周宁县第二中学）