楊日新

(浙江省天臺(tái)平橋二中 317203)

物理是一門研究物質(zhì)世界最基本結(jié)構(gòu)和一般運(yùn)動(dòng)規(guī)律的自然科學(xué)，物理模型的構(gòu)建是進(jìn)行物理學(xué)習(xí)和探究的重要內(nèi)容.物理學(xué)的發(fā)展過程就是一個(gè)物理模型建立的過程，物理模型對(duì)于物理的發(fā)展有著巨大的作用.物理模型教學(xué)主要是指對(duì)物理模型的內(nèi)容、建立方法、應(yīng)用的教學(xué)，不僅能反應(yīng)客觀的物理現(xiàn)象，也能闡明物理現(xiàn)象的規(guī)律，是開展物理教學(xué)活動(dòng)的重要組成部分.

一、物理模型概述

1.物理模型的定義和類型

“模型”是英文“Model”，主要是“樣式、尺度、樣本”的意思.我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森認(rèn)為，所謂的模型就是“通過對(duì)問題現(xiàn)象的分解、分析，利用已知原理，吸取主要因素，省略次要因素，而創(chuàng)造出的一幅圖畫.”高中物理模型主要是指根據(jù)物理學(xué)的特點(diǎn)，對(duì)物理的某一過程或某個(gè)現(xiàn)象進(jìn)行抽象化，用來對(duì)物理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或某方面的規(guī)律進(jìn)行描述.這就是說，物理模型是對(duì)實(shí)際物理現(xiàn)象的一種升華，使之抽象化、概念化.

高中階段的物理模型類型一般以實(shí)體理想模型、系統(tǒng)理想模型和過程理想模型為主.實(shí)體理想模型一般是以客觀的實(shí)際物體為基礎(chǔ)，根據(jù)學(xué)生所研究的性質(zhì)將實(shí)體理想化成模型，物理學(xué)習(xí)和探究中常見的理想氣體、質(zhì)點(diǎn)、杠桿、點(diǎn)電荷、理想變壓器都屬于實(shí)體理想模型.物理學(xué)所研究的一般是互相作用的物體，這就組成了一個(gè)系統(tǒng).系統(tǒng)理想模型一般會(huì)忽略其他次要因素對(duì)系統(tǒng)的影響，只對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的物體規(guī)律進(jìn)行探究，諸如：力學(xué)系統(tǒng)、絕熱系統(tǒng)、保守力系統(tǒng)等都屬于系統(tǒng)理想模型.過程理想模型是高中物理的重點(diǎn)，由于自然界的事物互相運(yùn)動(dòng)、變化和作用，其原理和過程復(fù)雜，因此在高中物理研究的過程中，會(huì)抓住這些過程的主要因素，分析其主要規(guī)律，忽略次要因素，這樣就構(gòu)建起了過程理想模型，諸如：勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、勻變速直線運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、彈性碰撞、完全非彈性碰撞等.

2.構(gòu)建物理模型的意義

第一，簡(jiǎn)化物理所研究的問題.通過構(gòu)建物理模型，可以對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行抽象處理，從而對(duì)物理學(xué)所要研究的復(fù)雜問題進(jìn)行簡(jiǎn)化，更好的對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行學(xué)習(xí)和探究.比如質(zhì)點(diǎn)模型的構(gòu)建，一般學(xué)生會(huì)將質(zhì)點(diǎn)等同于很小的物體或是數(shù)學(xué)中的點(diǎn)，這是錯(cuò)誤的.其實(shí)，只要物體的體積、形狀、大小等對(duì)物體有關(guān)規(guī)律的研究不構(gòu)成主要因素，都可以將物體看著一個(gè)質(zhì)點(diǎn).質(zhì)點(diǎn)忽略了物體的大小和形狀，主要突出物體的質(zhì)量、位置等性質(zhì)，如地球圍繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)探究，地球可以被看著質(zhì)點(diǎn)，再就是運(yùn)動(dòng)物體各個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一致，這樣運(yùn)動(dòng)物體也可以被看著一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，諸如：運(yùn)動(dòng)中的汽車、衛(wèi)星、導(dǎo)彈等，質(zhì)點(diǎn)模型是實(shí)際物體的抽象過程.

第二，解決實(shí)際問題.通過物理模型的構(gòu)建，可以幫助學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)進(jìn)行生活問題的解決，學(xué)生將生活中的實(shí)際問題抽象成物理模型，就可以直接運(yùn)用模型的結(jié)果，從而提高學(xué)生的問題分析和解決效率.比如理想氣體模型的構(gòu)建，可以將自然界中各種不同性質(zhì)和不同特點(diǎn)氣體的一些共同規(guī)律體現(xiàn)出來，從而可以將玻意耳定律的經(jīng)驗(yàn)定律統(tǒng)一起來，推導(dǎo)出理想氣體的方程：pV=nRT，這樣更有利于學(xué)生進(jìn)行具體問題的分析和解決.對(duì)于比較復(fù)雜的物理現(xiàn)象和問題，學(xué)生需要對(duì)它的物理模型進(jìn)行研究，然后結(jié)合實(shí)際情況對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行修正，從而使得物理模型更加接近實(shí)際研究對(duì)象的本質(zhì).

第三，揭示物理本質(zhì).物理理想模型是進(jìn)行物理學(xué)習(xí)和探究的有效方法，可以將復(fù)雜的物理現(xiàn)象簡(jiǎn)單化，從物理的本質(zhì)規(guī)律入手，從而揭示出物理的本質(zhì).比如“輕質(zhì)”一詞常常出現(xiàn)在物理各種力學(xué)問題中，是物理典型的理想化模型.比如“輕質(zhì)”彈簧中各個(gè)點(diǎn)的彈力相等，因此在進(jìn)行物理實(shí)際問題的分析中，可以認(rèn)為“輕質(zhì)”彈簧兩端物體所受到的力大小相同.通過建立理想模型，可以忽略物體受力過程中的次要因素，從而簡(jiǎn)化物理過程，揭示物理本質(zhì).

二、實(shí)驗(yàn)探究，師生共建物理模型

高中物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，不僅能讓學(xué)生理解物理知識(shí)的分析和探究過程，同時(shí)也能夠幫助學(xué)生建立起物理模型，從而對(duì)同一類的物理問題進(jìn)行更高效的分析和解決.下面我們一起來進(jìn)行有關(guān)“平拋運(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)，師生一同構(gòu)建平拋運(yùn)動(dòng)的過程模型，讓學(xué)生掌握平拋運(yùn)動(dòng)模型的構(gòu)建過程，總結(jié)平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并在實(shí)際問題中進(jìn)行應(yīng)用.

首先，教師給學(xué)生播放一下戰(zhàn)爭(zhēng)片中，戰(zhàn)斗機(jī)投彈的視頻，讓學(xué)生能夠仔細(xì)的觀察到炸彈從飛機(jī)投下到擊中目標(biāo)的整個(gè)過程，并然思考一下，戰(zhàn)斗機(jī)在投彈的時(shí)候，是位于目標(biāo)的正前方、正上方還是后方，如果從側(cè)面進(jìn)行炸彈運(yùn)動(dòng)軌跡的觀察，炸彈是做直線還是曲線運(yùn)動(dòng)？學(xué)生通過觀察和思考，很容易得出，戰(zhàn)斗機(jī)在目標(biāo)正前方開始投彈，炸彈在命中目標(biāo)前做曲線運(yùn)動(dòng).

其次，教師給學(xué)生做演示實(shí)驗(yàn)，教師在桌面上放一個(gè)乒乓球，讓乒乓球先沿桌面勻速運(yùn)動(dòng)，最后離開桌面下落，讓學(xué)生進(jìn)行觀察，并引導(dǎo)學(xué)生乒乓球離開桌面到落地前的運(yùn)動(dòng)就是平拋運(yùn)動(dòng)，那么，大家想一想平拋運(yùn)動(dòng)的概念是什么呢？學(xué)生很容易得出，平拋運(yùn)動(dòng)就是“水平拋出的物體所做的運(yùn)動(dòng).”教師繼續(xù)給學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，這次教師拿一根羽毛沿水平方向拋出，然后讓學(xué)生觀察，羽毛拋出后的運(yùn)動(dòng)是平拋運(yùn)動(dòng)嗎？大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為羽毛水平拋出以后所做的不是平拋運(yùn)動(dòng)，因?yàn)橛鹈艿降目諝庾枇Ρ容^大，拋出后很快就直線下落了，而不是曲線.教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，那么炸彈和乒乓球不受空氣阻力嗎？學(xué)生認(rèn)為炸彈和乒乓球受到的阻力小，可以忽略.教師繼續(xù)引導(dǎo)：那么乒乓球在離開桌面下落的過程中受到幾個(gè)力的作用呢？學(xué)生認(rèn)為，忽略空氣阻力，乒乓球只受到重力的作用.由此，可以得出平拋運(yùn)動(dòng)的定義為“物體以一定的初速度水平方向拋出，如果物體僅受重力作用，這樣的運(yùn)動(dòng)叫做平拋運(yùn)動(dòng).”

圖1

再次，教師讓學(xué)生結(jié)合已經(jīng)學(xué)過的運(yùn)動(dòng)合成與分解知識(shí)，對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)進(jìn)行推斷和猜測(cè).學(xué)生通過對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)軌跡的觀察，試著通過平行四邊形法則將平拋運(yùn)動(dòng)分解為水平和垂直兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng).那么，學(xué)生分解的是否正確呢，教師引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行探究.教師組織學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，給學(xué)生發(fā)放實(shí)驗(yàn)器材(如圖1所示)，讓學(xué)生以白色為背景，將手機(jī)設(shè)置為連拍，記錄下兩個(gè)小球同一時(shí)間的不同位置，然后通過電腦進(jìn)行圖片的合成，學(xué)生通過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用力越大，A球飛出的距離越遠(yuǎn)，但是不論飛出多遠(yuǎn)都和B球同時(shí)落地.通過對(duì)兩個(gè)小球拍攝的圖片進(jìn)行合成，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，相同時(shí)間內(nèi)，A球水平運(yùn)動(dòng)距離相等，豎直方向上與B球始終處于同一高度.學(xué)生通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)，垂直方向相同時(shí)間段內(nèi)，相鄰兩點(diǎn)的位移之差是常數(shù)，而在豎直方向上小球的初速度為零，通過公式Δs=a(ΔT)2將求出的加速度a取平均值，基本等于重力加速度數(shù)值.由此可以得出，平拋運(yùn)動(dòng)是水平方向勻速運(yùn)動(dòng)和垂直方向自由落體運(yùn)動(dòng)的合成，至此，平拋運(yùn)動(dòng)的模型建立完成，學(xué)生通過親自的操作和實(shí)驗(yàn)，對(duì)物理模型有了更深刻的認(rèn)識(shí).

最后，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)模型的規(guī)律進(jìn)行探究，并將結(jié)果通過表格進(jìn)行匯總，如下表：

速度位移分解方向水平豎直水平豎直分解大小vx=v0vy=gtsx=v0tsy=12gt2實(shí)際方向tgα=gtv0tgβ=gt2v0實(shí)際大小v=v20+(gt)2s=(v0t)2+(12gt2)2

這樣，學(xué)生對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)的模型基本掌握，在進(jìn)行相關(guān)問題的研究的時(shí)候，就可以直接運(yùn)用模型進(jìn)行分析和探究，有效的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展.

圖2

例題 有三個(gè)同學(xué)在玩投飛鏢游戲，已知在飛鏢的拋出點(diǎn)O正前方有一泡沫擋板來接收飛鏢，擋板上的A點(diǎn)與O點(diǎn)在同一水平線上，已知三位同學(xué)分別以v1、v2、v3的初速度將飛鏢投出，分別打在擋板上的B、C、D點(diǎn)(如圖2所示)，經(jīng)過測(cè)量得出AB∶BC∶CB=1∶3∶5，忽略飛鏢運(yùn)動(dòng)過程中空氣阻力的作用，則v1∶v2∶v3的值為( ).

A.3∶2∶1 B.5∶3∶1 C.6∶3∶2 D.9∶4∶1

解析 由題意可知飛鏢的運(yùn)動(dòng)為平拋運(yùn)動(dòng)，打在擋板上的點(diǎn)為豎直方向運(yùn)動(dòng)的位移，由于拋出點(diǎn)和擋板距離固定，因此水平運(yùn)動(dòng)位移相等，則可以得出v1t1=v2t2=v3t3，豎直方向位移AB∶BC∶CB=1∶3∶5

聯(lián)立解得：v1∶v2∶v3=6∶3∶2

總之，高中物理知識(shí)比較抽象，教師在教學(xué)過程中，要注重引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行物理建模，從生活中的具體現(xiàn)象中進(jìn)行物理規(guī)律的抽象，形成一個(gè)完整的物理知識(shí)發(fā)展過程，讓學(xué)生掌握物理的本質(zhì)規(guī)律，既能幫助學(xué)生掌握物理知識(shí)內(nèi)涵，也能提升學(xué)生的物理素養(yǎng)，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升.