情境创设 创设物理情景构建物理模型

创设物理情景构建物理模型

高中物理不同于初中物理，在高中课程的教学过程中大 多数研究的对象是一些物理模型，这些物理模型既源于实践， 而又高于实践，在生活、生产、科技领域中带有普遍的共性 特征，具有一定的抽象概括性。物理教师在完成教学任务的 过程中，要重视对学生建模意识的培养，让学生在解决物理 问题时能清晰地构建出情景条件的物理模型，找到解决问题 的方法，从而达到培养学生灵活思变、创造性思维的能力。

一 、为什么要建构物理模型 物理学研究的对象遍及整个物质世界，大至天体，小至 基本粒子，面对物质纷繁复杂、形形色色的运动，如果不采 取突出主要矛盾，忽略次要矛盾的辩证方法，人们很难摆脱 纷乱繁杂的物理现象的纠缠，理不清道不明物理概念和物理 规律，物理理论的大厦将无法建成。学生在学习过程中更重要的是掌握物理学研究的方法， 而物理学的研究方法之一就是把物体、物体的运动理想化、 抽象化，建立起相应的物理模型。例如，忽略物体的具体形 状、大小，把物体看作具有质量的几何点的质点和物体在自 由下落时忽略空气等阻力，认为物体只受重力的自由落体运 动。学生在分析和解答物理过程中，就是识别和还原，开发 和利用物理模型的过程。

二、几种常见的基本物理模型 中学物理中最基本的物理模型一般分为三类：概念模型， 数学模型和理论模型。概念模型一般是把物质、物质运动或 为了描述物质运动进行抽象化的结果，如质点、自由落体、 单摆、圆锥摆、弹簧振子、点电荷、理想气体、理想流体、 电场线、光线等。学习这类模型时，要注意学会并掌握抓住 主要矛盾，忽略次要矛盾的辩证思维方法;注意概念模型的 质是什么，究竟忽略什么次要因素;注意概念模型的相对性 和适应条件;注意比较易混淆不同概念模型间的质的区别。

数学模型一般是反映物质的某种属性、物质运动的过程 的规律。客观世界的一切规律原则上都可以在数学中找到他 们的规律。物理学在建造物理模型的同时，也在不断的建造表现物理状态及物理过程规律的数学模型（如表达物理概念 和物理规律的数学公式、、E=F/q等）。学习数学模型是应特 别注意数学公式的物理意义和适应范围。

理论模型是在物理学的研究和发展过程中，发现一些物 理现象与现有的物理学客观规律不相符，为了解释这些现象， 人们提出的种种假说或假设（原子核式结构模型、玻尔氢原 子理论、夸克模型等）。学习理论模型是应特别注意学习建 构理论模型的指导思想——探知未知世界的种种假设，这种 假设的正确与否还要靠实践去检验。

三、如何构建物理模型 模型是连接理论和应用的桥梁。经验材料、实验事实和 背景知识是构建物理模型的基础;而抽象、等效、假设、类 比等则是构建物理模型的基本方法。下面选取两道例题加以 分析：
例1、某卫星环绕某星球做匀速圆周运动，求环绕半径 变大时，环绕的周期、线速度、角速度、向心加速度如何变 化？以及重力势能，动能，机械能如何变化？（该星球的质量为M，卫星的质量为m） 一看到这个题目，联系《万有引力》一章内容，需要记 忆的物理公式很多，比如求天体质量、天体密度、行星运动 的加速度、速度、角速度以及周期、第一宇宙速度等。学生 普遍都感觉难记。但是，如果教给学生如何构建物理模型， 以上这些公式就轻而易举的解。

研究对象的物理模型是天体运动模型，即物体做圆周运 动的模型，必须推导圆周运动的各种物理量的表达式，再进 行讨论;
解题方法：[GMmr2=mv2r]，[v=GMr];[GMmr2=mw2r]， [w=GMr3];[GMmr2=ma向]，[a向=GMr2];[GMmr2=m（2πT）2r]， [T=2πr3GM] 在这些表达式中，我们可以看到，环绕半径变大时，除 了周期增大，线速度，角速度，向心加速度都减小，因此卫 星的动能也减小，高度因为变高，所以重力势能变大，由于 离心才能做半径增大的圆周运动，需要气体推动卫星做功， 所以机械能也增大。

同理，类似的这种模型构建中，在原子物理中，核外电子绕核做圆周运动的模型，当电子环绕半径增大时，各个物 理量的变化与此运动类似，可以采用相同的方法进行解题。

例2、在原子反应堆中抽动液态金属或在医疗器械中抽 动血液等导电液体时，由于不允许传动的机械部分与这些液 体相接触，常使用一种电磁泵，图24所示为这种电磁泵的结 构.将导管放在磁场中，当电流通过导电液体时，这种液体 即被驱动.如果导管中截面面积为a·h，磁场的宽度为L，磁 感应强度为B，液体穿过磁场区域的电流强度为I求驱动力造 成的压强差为多少？ 这道例题考生习惯已知物理模型的传统命题的求解，在 此无法通过原型启发，将液体类比为磁场中导体，建立起熟 知的物理模型，无法使问题切入。

此题的题源背景是电磁泵问题，它的原理是：当电流流 过液体时，液体即为载流导体，在磁场中将受到安培力作用， 力的方向由左手定则判定，所以液体将沿v的方向流动.液体 通电后可视为导体，从电磁场的原理图中可抽象出如图所示 的模型，既通电导体在磁场中受力模型.以载流导体为研究 对象，根据安培力公式，载流导体受到的安培力（即液体受 力）为：F=BIh ①，由压强公式，得p=[FS]②， 又因为S=a·h ③， 由①②③得p=[BIa]。

以上两个数例中，前例是课本上已充分分析、讨论过的 已知模型，后例是习题教学中建立起来的经验模型，这两类 模型在解题中都有很多应用。在解题时，要充分利用已知模 型，将相关的知识，方法、经验联系起来，在头脑中形成一 个便于存储、利于提取的灵活系统。

可见，在物理教学中，教师需要引导学生利用物理模型 进行解题，而运用物理模型解题的基本程序。

（1）通过审题，提取题目信息。如：物理现象、物理 事实、物理情景、物理状态、物理过程等;
（2）弄清题给信息的诸因素中什么是主要因素。

（3）在寻找与已有信息（某种知识、方法、模型）的 相似、相近或联系，通过类比联想或抽象概括，或逻辑推理， 或原型启发，建立起新的物理模型，将新情景问题“难题” 转化为常规命题。

四、小结在中学物理教学中培养学生物理模型建构的能力是教 育和教学的重要目标之一，也是培养和发展学生创新能力的 基础。因此，在课堂教学中教师应注意开展物理模型建构过 程的教学，引导学生观察物理现象，发现物理问题，尝试物 理模型建构，利用物理模型解决实际问题，健全学生解决物 理问题的能力。