高中物理模型建构及教学方法探索

张春盛

摘要：建构模型有助于学生找到物理和生活之间的衔接点，而且还可以形象、直观地呈现教学内容，使其掌握学习物理的窍门，增強解决物理问题的能力.基于此，笔者结合自身多年的教学经验介绍常见的高中物理模型，同时分享一系列有效的教学方法，以供同行参考所用.

关键词：高中物理；模型建构；教学方法

中图分类号：G632文献标识码：A文章编号：1008-0333（2024）12-0083-03

基于高中物理学科核心素养视角来看，模型建构属于科学思维的基本要素之一，也是高中学生物理学习中必备的能力之一，关系到他们科学思维能力的发展情况.高中物理教师需明确常见的物理模型，采用科学合理的教学方法指导学生建构物理模型，使其深层次研究物理现象和问题，训练其科学思维能力.

1 高中物理常见模型的建构介绍

1.1 轻弹簧模型

高中物理教学中，弹簧是常见的物理仪器，对于弹簧相关的问题，通过构建轻弹簧模型，从力的角度和能量角度分析解题.从力的角度来说，弹簧可以产生拉力作用，还可以产生压力作用，根据胡克定律F＝kΔx，当弹簧拉伸长度与压缩长度相同时，其产生的作用力大小是相同的，方向则是相反的.弹簧发生形变，需要一定的时间，弹簧的弹力不能够突然发生变化[1].从能量的角度来说，弹簧是一种能量储存装置，在物体压缩弹簧或拉伸弹簧的过程中，弹簧储存能量，在恢复原长的过程中，则是释放能量.

1.2 轻杆、管道模型

本文所说的轻杆、管道模型是指在竖直平面内，物体做圆周运动.物体在轻杆或管道的最高点时，轻杆或管道可以对物体施加拉的作用，也可以对物体施加向外的支撑作用.根据物体做圆周运动需要的向心力F向＝mv2R，在最高点满足mg＋F弹＝mv2R时，轻杆具有拉的作用，或管道则产生竖直向下的弹力作用.当满足mg-F弹＝mv2R时，轻杆则具有支撑作用，或管道则产生竖直向上的弹力作用.物体在最高点时，其速度可以为0，此种情况与细绳连接物体在竖直平面做圆周运动不同，如果是轻绳，在最高点轻绳只能提供拉的作用，无法提供支撑的作用，因此在最高点处物体做圆周运动的临界条件是vmin＝gR，单环模型和轻绳有相同的结论[2].

1.3 传送带模型

在高中物理教学中，传送带模型的难度比较大，主要分为水平传送带和倾斜传送带两种情形.为了让学生能够理解和构建传送带模型，教师可以构建相应的模型，如图1所示.

1.4 弹性碰撞模型

微观粒子的碰撞，如果没有引起碰撞粒子的能级跃迁，该碰撞就是弹性碰撞；宏观物体之间的碰撞过程，如果不计碰撞过程中机械能的损失，也可以认为是弹性碰撞.弹性碰撞模型主要采用机械能守恒与动量守恒列方程组求解.设平面上有A、B两个小球，质量和速度分别为m1、v1、m2、v2，且（v1＞v2），碰后速度分别是v′1与v′2，假如没有能量损失，则根据动量守恒定律知m1v1＋m2v2＝m1v′1＋m2v′2，结合机械能守恒可得12m1v21＋12m2v22＝12m1v′12＋12m2v′22，由上述公式可得到v′1＝（m1-m2）v1+2m2v2m1+m2，v′2＝（m2-m1）v2+2m1v1m1+m2，很显然两个小球碰撞以后的速度情况与其质量大小有关.

2 高中物理模型建构的教学方法

2.1 借助情境优化导入，激发学生模型建构意识

高中物理教师在平常教学中需高度重视新课导入环节的设计，可采用情境导入法，即根据实际教学需求灵活使用实物、实验、多媒体技术等方式来创设情境，引发他们进行模型建构的意识，引导学生主动建构物理模型[3].

比如在进行“圆周运动”教学时，教师先利用多媒体播放一些现实世界中的圆周运动现象，如水流星、过山车、飞行表演等.据此营造情境，把学生的注意力吸引起来，使其认真观察、分析与讨论这些现象，尝试从中寻找以上运动的相似之处.之后，教师让学生根据课堂内容，对案例中物体运动到最高点的受力情况进行分析，画出受力分析图，找出最高点的临界速度，引领他们总结出共同特征，即为：物体在圆周运动中过最高点的临界状态mg＝mv2r，则v＝gr，当v≥gr时才可以进行完整的圆周运动，使其发现以上这些实例均是同一类型，即为竖直平面内的圆周运动轻绳模型.

2.2 紧密联系实际生活，深入感知模型建构

物理模型的建构同样需要得到生活素材的支持和辅助.高中物理教师应紧密联系实际生活，结合所授内容有的放矢地引用生活中的物理现象，让物理教学回归现实生活，指引学生从生活现象中抽象出相应的物理模型，让他们切实感知模型建构[4].

以“自由落体运动”教学为例，教师向学生展示生活中的现象，如雪花飘飞、屋檐滴水、果实落地、树叶飘落等.引导学生认真观察，结合生活常识一起探讨这些运动现象的共同点，他们发现都是物体从空中自由下落.接着，教师设计问题：是否质量大的物体下落速度一定比质量小的大？组织学生分组制定实验方案，以一元硬币与A4白纸为研究对象，按照不同方式从同一高度自由下落，使其观察和研究实验现象，他们发现空气阻力会影响到物体的下落速度.随后教师可以拿出牛顿管，把空气抽出，指引学生观察，让羽毛、纸片、硬币等物体从同一高度下落，结果发现不同物体下落的快慢一样，据此帮助学生构建自由落体运动模型.

2.3 借助任务驱动教学，理解模型建构过程由于模型建构较为枯燥、乏味，教师可采用任务驱动教学，借助任务的驱动作用，引导学生建构模型，理解模型构建的过程.对此，高中物理教师需根据实际教学需求安排任务，组织学生以小组为单位合作学习，一起思考、研究和解决问题，使其感受到建构物理模型的意义和趣味，逐步提升他们的建构物理模型能力和核心素养.

如在“电势能”教学中，学生学习电场的分布和电势能相关知识时难度较大，尤其是涉及变化过程更是很难理解.这时教师可以设置任务：请结合重力势能相关知识展开学习，与电势能的变化进行类比，以此降低知识的理解难度.让学生将重力势能与电势能这两种能量发生变化相似的过程联系起来，引导他们建立一个用来解释重力做功和重力势能变化关系的模型，通过类比构建出相近的物理模型.

在任务驱动下，学习目的更为明确，想象空间得以拓宽，思维方式则变得更为深入和发散.

2.4 设计经典练习题目，强化模型建构练习

为了有效开展高中物理模型建构教学，不能只停留在理论说教方面，需要加强实践活动开展，引入经典的物理题目，引导学生自主建构模型，解决物理问题，逐渐培养学生模型建构意识，使其体会到物理模型的实用性和价值.

例如，如图2所示，A、B是一个足够长的光滑水平轨道，在其右侧与一个足够长的传送带平滑连接（忽略此处能量损失），传送带的倾角θ是37°，左侧与半径R=0.05 m竖直光滑的半圆轨道相连.用轻绳连接的甲、乙两个物体可以看作质点，质量分别是m1＝2 kg，m2＝1 kg，中间夹着一个被压缩的弹簧，弹簧与物体间不连接，开始时两个物体都静止在水平面上，传送带与乙之间的动摩擦因数μ＝0.5，g=10 m/s2.

（1）把甲固定，传送带保持静止状态，将细线烧断，乙在传送带上滑动的最远距离是s＝0.3 m，求解弹簧压缩时弹性势能是多大？

（2）把乙固定，甲松开，将细线烧断，甲进入到半圆轨道，那么甲运动至D点时对轨道的压力是多大？

（3）傳送带以速度v＝1 m/s顺时针方向运动，甲、乙均不固定，将细线烧断后，乙沿着传动带运动到最高点过程中摩擦产生的热量是多少？

解析（1）此问题属于弹簧模型，在弹簧恢复原长过程中，储存的能量全部转化成乙物体的动能.根据能量守恒定律有Ep＝12m2v21，结合牛顿第二定律有m2gsinθ＋μm2gcosθ＝m2a，根据运动学公式有s＝v212a，联立式子代入相关数据后求得Ep＝3 J.

（2）根据能量守恒定律求出甲获得的动能，即为Ep＝12m1v22，从点B到点D过程中根据机械能守恒定律得12m1v22＝2m1gR＋12m1v2D，设轨道对甲产生的弹力大小是N，根据牛顿第二定律得N＋m1g＝m1v2DR，结合牛顿第三定律，甲对轨道的压力N′＝N，代入相关数据后求得N′＝20 N.

（3）结合两个守恒定律能够得到m1v甲＝m2v乙，Ep＝12m1v甲2＋12m2v乙2，可得v乙＝2 m/s，v乙＞v.共速之前据牛顿第二定律得m2gsinθ＋μm2gcosθ＝m2a1，解得a1＝10 m/s2.到共速之前的时间是t1＝v1-va1＝0.1 s，其相对位移Δx1＝v乙t1-12a1t21-vt1＝0.05 m.共速后以a2继续做匀减速运动，则m2gsinθ-μm2gcosθ＝m2a2，解得a2＝2 m/s2，减速至速度为0时，经历时间t2＝va2＝0.5 s，其相对位移Δx2＝vt2-v22a2＝0.25 m，那么运动至最高点过程中产生的热量Q＝μm2gcosθ（Δx1＋Δx2）＝1.2 J.

3 结束语

总的来说，在高中物理教学活动中进行模型建构，不仅是对物理学科核心素养的有效提升，还是对原有教学模式的改进与突破.教师需结合物理学科知识特征设计教学方法，以理解常见物理模型内涵为前提，带领学生通过建构模型学习相应的理论知识与解题技能，使其深入探索物理学科的奥秘，让他们的整体学习效果更佳.

参考文献：

[1] 王君.高中物理教学中物理模型的作用及构建策略[J].数理天地（高中版），2023（02）：8-10.

[2] 薛圣洁，王永超.高中物理模型建构教学中存在的问题及解决方案[J].第二课堂（D），2022（01）：90-91.

[3] 易立华.高中物理教学中学生建构物理模型能力的培养[J].新教育，2022（10）：56-57，66.

[4] 熊艺.高中物理学科中创设情境培养学生的模型建构能力[J].上海课程教学研究，2022（09）：11-15.

［责任编辑：李璟］