论“建模”在高中物理教学中的灵活应用

桂进

【摘要】高中物理课的主要教学目标有两方面：一方面是帮助学生了解自己的兴趣与发展潜能，提升他们的科学素养，为以后发展和选择打好基础;另一方面是让学生通过探究学习物理，了解物理知识与生活的联系，体会科学精神与人文精神的结合，从历年高考成绩中我们也可以看出，高中理科中最难学的非物理莫属了，怎样让学生学好物理摆在我们面前是一个难题， 在物理教学诸多教学方法中，常见的有讲授法、实验法、讨论法、探索发现法、科学研究法、物理模型法，而物理建模教学法实际教学中是一种重要的教学方法。

【关键词】物理教学  建模教学  常见模型

【中图分类号】G633.7   【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）28-0083-02

一、建立物理模型重要意义

物理学研究对象常常具有一定难度和一定的复杂性，在解题中为了快速的理解，准确的解题，这不但要求我们有扎实的理论基础，还需对类似的问题有个高度的概括，抓住问题的本质，并加以归纳和拓展，让学生明白此类问题形成的原因、注意的事项、问题的延伸、和解题的技巧，一目了然从而快速解题，这种学习模式和解题方式称之为“物理模型法”。

在高中阶段学生所学的每一条物理原理、定理、定律都与一定的物理模型相联系，如：质点、重心、机动车启动、光的反射与折射、远距离输电、自由落体运动、平抛运动、竖直上抛运动、可逆运动与不可逆运动、竖直与水平面内匀速圆周运动临界问题、简谐运动、碰撞等，它们几乎是某种条件的简化，但都有着各自的特点，都有各自的规律可循。

二、构建物理模型的基本思路和方法

很多学生进入高中后，还是保留初中的学习习惯，认为背背公式，刷刷题，就能解决问题，实际上他们忽略相关物理概念形成的背景，不善于观察提炼问题的精髓部分，缺少对问题深入及问题的延伸的理解，停在很肤浅的层面，所以解题错误率高，久而久之会失去学习物理的信心。近几年的高考命题中物理难度逐渐增大，更侧重学生对物理知识综合应用能力，把“能从实际问题中提炼出合理物理模型”作为考查重点。因此如何让学生掌握物理模型，并应用物理模型去解决实际问题，就成了高中物理教学的一个必不可少的重要教学环节。

（一）教师在教学过程中要重视对学生建模意识的培养。物理模型是建模思想的产物，建模思想就要求在概念教学中就是不停地构建概念模型的过程，许多物理概念本身就体现了建模的思想，如刹车过程、瞬时加速度、追击与相遇、等量同（异）种电荷、电场线、磁感线、光线等，因此我们科学地选取素材，激发学生对物理建模产生兴趣。从广义讲，一方面我们带领学生深入教材，挖掘教材所蕴涵的物理模型，高度去概括去探究，形成一目了然的规律，让学生明白使用该模型时解题的技巧，注意的问题，使之能真正成为看得见、摸得着、用得上，从而激发学生的建模兴趣。

（二）构建物理模型常见的方法。1.理想法：抓住物体主要特征，忽略一些次要因数，如质点的引入，忽略物体形状与大小;点电荷忽略物体形状与大小及电荷的分布;理想变压器忽略能量的损失且无漏磁;抛体运动忽略空气的重阻力等等。2.类比法：根据有些物理量间存在许多相同或相似的属性，便以此类推他们具有共性，如电势与地势、电势能与重力势能、末速为零的匀减速类比初速为零匀加速等等。3.等效替代法：当研究对象比较复杂时难以解答时，可以尝试用等效法处理，如利用等效重力场处理带电粒子在电场中竖直平面内做圆周運动，带电球体将电荷等效球心处、运动的等效、力的等效等等。4.微元法：在解题时但研究对象不符合条件时，可将研究对象或物理过程视作由许多微小体或N等分组成，在这些微小结构有符合条件，如摩擦力做功、带电圆环等等。5.假设法：当所研究的物理现象不能直接判断时，可以采用假设法，假设条件改变，物体看物理状态是否发生变化，从而进行分析判断，常用于受力分析和运动分析中。6.极限法：在极限状态下对物体进行分析，得出结论。

（三）构建物理模型应重视两个环节。物理模型不仅是知识的结晶还是知识的高度升华，它具有典型性和易理解性等特点。物理模型的建立，可以引导学生更深刻的理解物理知识，体会用物理模型解题带来的准确性和快速性，从而增加学习兴趣。

三、高中常见的物理模型

高考命题以《考试大纲》为依据，考查学生对高中物理知识的掌握情况，体现了“知识与技能、过程与方法并重”的高中物理学习思想，每年各地的高考题为了避免雷同而千变万化、多姿多彩，但又总有一些共性，就高中物理常见模性可粗略地总结如下：

1.“理想化”模型：质点、点电荷、电场线、磁场线、远距离输电、理想变压器、理想气体等。

2.“运动类”模型：匀变速直线运动、末速为零的运动、表格信息问题、可逆与不可逆直线运动、追击和相遇问题、各种抛体运动（竖直上抛、平抛、斜抛、类平抛）、带电粒子在电场中的运动等等。

3.“测速”模型：纸带测速、超声波测速、光电门测速、频闪照相测速。

4.“图像类”模型：图像问题出现频率很高，常见于运动学、力学、动力学、动能量、电学等等，其出现三种形式：①根据图线分析对应物理过程;②根据物理过程画出图线，再根据图线解决相关问题;③图线间相互转化。

5.“共点力平衡计算”模型：①平衡力的计算方法有平行四边形法则、三角形相似法、正弦定理法（拉密定理法）、正交分解法、整体法和隔离法;②其它模型：极值与临界、动态变化（处理方法有作图法、解析法、动态圆）。

6.“绳子”模型：受力特征、悬绳、死结与活结、速度关联、绷紧瞬间。

7.“弹簧”模型：形变问题、受力问题、弹簧参与运动（分变速和匀变速）、瞬间加速度、动量能量、弹性势能。

8.“轻杆”模型：受力问题、自由杆与固定杆、速度关联问题。

9.“牛顿第二定律的理解”模型：瞬时性问题、超重和失重问题、等时圆、连接体、与图像相关的动力学问题、加速度的分解、极值与临界问题、传送带问题、滑板与滑块等。

10.“运动合成和分解”模型：小船过河、绳杆速度关联等。

11.“平抛运动”模型：平抛与斜面、多体平抛、有其他约束条件的平抛运动、平抛运动中的临界与极值问题、平抛与体育、斜上抛运动、类平抛等等。

12.“有关圆周运动”常见模型：①“圆周运动中三种传动方式”模型：皮带传动、共轴转动、齿轮咬动。②“圆周运动模型的临界问题”模型：水平面的临界、竖直面的临界、斜面的临界、沿圆弧运动两种情景。③圆周运动等效重力场问题。④圆锥摆模型。

13.“天体运动”常见模型：①重力与万有引力的关系：重力与纬度关系、重力与高度关系、在矿井深为d处、重力加速度反常。②天体质量和密度的估算，两种思路一是根据天体表面重力加速度和天体半径，而是根据天体卫星和轨道半径。③卫星类：卫星运动的参数的比较、同步种类（极地卫星、同步卫星）、卫星的发射和回收、卫星的变轨及对接、卫星的追击与相遇。

14.“机动车启动”常见模型：匀加速启动、额定功率启动。

15.“能量应用”常见模型：传送带相关的能量、与连接体相关的能量、与抛体运动相关的功能、与圆周运动相关的功能、与摩擦力有关的能量、与滑块木板模型相关的功能、与动量相关的功能、与图像相关的功能、能量守恒中两个“刺”。

16.“动量的应用”常见模型：多次碰撞问题、子弹打木块模型、反冲模型、人船模型、爆炸模型、滑块木板模型、弧型槽模型、弹簧模型、多体作用、电磁感应中的动量问题、原子物理中的动量问题。

17.“三个自由电荷”模型：同一直线上三个自由电荷平衡状态和一起加速状态，不在同一直线上三个自由电荷一起加速状态。

18.“两点电荷场强与电势分布”模型：两等量异（同）种点电荷、两不等量异种点电荷。

19.“静电场中的速度图像”模型：速度图像、场强图像、电势图像、电势能图像等等。

20.“带电粒子在匀强电场中的运动”模型：加速、偏转、先加速后偏转、侧移、带电粒子在交变电场中的运动、等效场重力场、示波器。

21.“带电粒子在匀强磁场中的边界问题”模型：单边界、多边界、圆边界（滚动圆、平移圆、放缩圆、磁聚焦）。

22.“带电粒子在复合场问题”模型。

23.“磁场与现代科技”模型：磁流体发电、电磁流量计、霍尔效应、质谱仪、速度选择器、回旋加速器、电视机显像管。

24.“电路的动态分析”模型。

25.“电学中非线性元件”模型。

26.“远距离输电升压降压的变压器模型”模型：模型图、电压关系、电流关系、功率关系。

27.“电磁感应中轨+杆”模型：①单杆+轨：外力型、冲量型、含源型;②含容单杆+轨：外力型、冲量型、含源型;③双杆+轨：等长双杆和不等长双杆，常见于外力型和冲量型。

总之，由于客观存在具有多样性，它们的运动、变化往往是非常复杂的，人们对其意识的反应也随之变化，不可能短时间内清楚其实质，而采用物理模型来代替实在的客观存在，可以使事物的规律变得简单，更容易去理解去认知，利用建模思想构建正确的物理模型可使我们对物理本质的理解快捷而深入，对物理问题的分析更加清晰明了，所以物理模型的建立必将为中学物理课堂教学改革提供新的思路;物理建模教学是其他教学模式的一种补充，其功能是其他教学模式无法替代的。

参考文献：

[1]刘婷.物理模型思维在高中物理教学中的应用.《软件：教育现代化》，2014年.

[2]丁宏伟.论在高中物理教学中物理模型的构建.《教育教学论坛》，2010年.

[3]呂俊宏.高中物理模型教学的理论与实践探究.《新课程：教育学术》，2015年.