浅谈高中物理的模型构建

                                                            莆田第十中学物理组 陈俊英

摘要：“科学的基本活动就是探索和制定模型”，建模对物理学的发展起着推动前进的作用，建模能力是学生物理能力的核心能力之一。本文通过实物模型、过程模型、试题模型的教学实践，探讨了中学物理教学中如何提高学生的物理建模能力，提出了一些看法。

关键词：物理模型；主要因素；次要因素

    思维定势是人们在思维活动中所倾向的特定的思维模式。它是指人们按照某种固定的思路和模式去考虑问题，表现为思维的倾向性和专注性。它有消极的一面，消极的思维定势是指人将头脑中已有的、习惯了的思维模式生搬硬套到新的物理情景中去，不善于变换认识的角度和改变解决问题的方式。但是它也有积极的一面，积极的思维定势有利于物理概念的形成和对物理规律的理解。构建物理模型一定程度上可以说是利用了思维定势积极的一面。

  物理学科的研究对象是自然界物质的结构和最普遍的运动形式，对于那些纷繁复杂事物的研究，首先就需要抓住其主要的特征，而舍去那些次要的因素，形成一种经过抽象概括了的理想化的“模型”，这种以模型概括复杂事物的方法，是对复杂事物的合理的简化。如运动员的跳水问题是一个“竖直上抛”运动的物理模型；人体心脏收缩使血液在血管中流动可简化为一个“做功”的模型等等。物理模型是同类通性问题的本质体现和核心归整。

  高中物理模型可以分为三类，即实物模型、过程模型、试题模型。接下来分别详细阐述：

一、实体模型

它是用来代替由具体物质组成的，代表研究对象的实体系统。这一类模型在中学物理中最为常见，如力学中有质点、刚体、杠杆、轻质弹簧、单摆、弹簧振子；热学中有弹性球分子模型、理想气体、黑体；电学中有点电荷、试验电荷、理想导体、绝缘体、理想电表、纯电阻、无限长螺线管；光学中的薄透镜、光的波粒二象性模型、原子物理中原子的核式结构模型等。

这种模型教材中较常见，是研究问题时，抓住事物的主要因素，忽略次要因素建立起来的实物模型，对理解的概念起着不可估量的作用。

例1、如图所示，四个完全相同的弹簧都处于水平位置，它们的右端受到大小皆为F的拉力作用，而左端的情况各不相同：①中弹簧的左端固定在墙上，②中弹簧的左端受大小也为F的拉力作用，③中弹簧的左端拴一小物块，物块在光滑的桌面上滑动，④中弹簧的左端拴一小物块，物块在有摩擦的桌面上滑动. 若认为弹簧的质量都为零，以l₁、l₂、l₃、l₄依次表示四个弹簧的伸长量，则有：（   ） 

    本题中研究对象是弹簧，题设认为弹簧质量是零，这个弹簧就是一个理想实物模型。弹簧右端都受到F的拉力，则弹簧上任一点受到的拉力都为F，与弹簧左端接触物无关。要理解牛顿第三定律的实质，还要注意分清研究对象。由于弹簧无质量，则弹簧上受到的合力为零，即③中弹簧左端受到的拉力等于F。由作用力与反作用力可知，这4种情况作用在弹簧上的力都为F，其作用效果使弹簧伸长的长度也相同，即l₁＝l₂＝l₃＝l₄，正确选项为D。

二、过程模型

把具体物理过程理想化后所抽象出来的一种物理过程，称为过程模型。自然界中各种事物的运动变化过程是极其复杂的，在物理学研究中，不可能面面俱到。要首先分清主次，然后忽略次要因素，只保留运动过程中的主要因素，这样就得到了过程理想模型，如匀速直线运动，匀变速直线运动、匀速圆周运动、自由落体运动、自由落体运动、斜抛运动、简谐运动、弹性碰撞、完全非弹性碰撞、等温过程、等压过程、绝热过程、恒定电流等，都是以突出某一方面的主要特征，忽略一些次要过程后抽象出来的理想过程，都是一种过程模型。

例2、如图所示，质量为m₁的 物体沿光滑斜槽向下滑动，斜槽过渡是半径为R 的圆周，在最低点与质量为m₂的静止物体发生弹性碰撞，假定碰撞后，m₂脱离圆周轨道时的高度为h，而m₁沿斜槽上升后又滑下，并在m₂在同一地点脱轨，问第一个物体m₁应从多高处开始运动？这两物体的质量比是多少？

    此题牵涉到物体间的相互作用，难度加强了。我们不妨物理情景模型进行过程列式：

模型1：从A到B无摩擦匀加速过程，

            ①

   模型2：在B点两小球的弹性碰撞过程，碰撞后考虑到两小球在同一点脱离轨道，说明在脱离轨道点D点两小球具有相同的速度，从而可以判断出两小球相碰后具有相同的速度大小，设大小为V，则可得：

          ②

    ③

   模型3：从B点到D点属于圆周运动，在D点考虑到要脱离轨道，则轨道对小球的作用力为零，小球所需要的向心力完全由重力的分力提供，可得：

 ④

        ⑤

三、试题模型

分析题目实质上是不断寻找知识点与知识点之间的联系，虽然题目可以无限，但这些联系方式却是有限的，将这些联系方式进行分析并归纳整理，建立“试题模型”，每一种“试题模型”都有自身鲜明的特点，熟悉其特点以及有效的解决方法，当面对一道试题时，首先将其归位到某一种模型或几种模型的组合，解题就水到渠成了。

以《牛顿运动定律的应用》为例，课本上就讲解了已知运动情况分析受力情况和已知受力情况分析运动情况两种类型的问题，但是围绕牛顿运动定律的试题千变万化，可以提炼出物体运动情况的定性分析、连接体问题、突变问题、分离问题、系统问题、超重与失重等题型。

例3、如图1所示，在不计滑轮摩擦和绳质量的条件下，当小车匀速向右运动时，物体A的受力情况是

A．绳的拉力大于A的重力

B．绳的拉力等于A的重力

C．绳的拉力小于A的重力

D．拉力先大于A的重力，后小于重力

 把小车的速度为合速度进行分解，即根据运动效果向沿绳的方向和与绳垂直的方向进行正交分解，分别是v2、v1。如图1所示，题中物体A的运动方向与连结处绳子的方向相同，不必分解。A的速度等于v2，，小车向右运动时，逐渐变小，可知逐渐变大，故A向上做加速运动，处于超重状态，绳子对A的拉力大于重力，故选项A正确。

 点评：此类问题通常是通过定滑轮造成绳子两端的连接体运动方向不一致，导致主动运动物体和被动运动物体的加速、减速的不一致性。解答时必须运用两物体的速度在各自连接处绳子方向投影相同的规律。

    总之，抓物理模型的教学，是培养诸多能力中的首位，当然它不是惟一的，实际教学中还需要其它方法，培养其它能力，如阅读能力，实验能力，逻辑推理和数学归纳能力等。

该论文于2016年在《课程·教材·教法》第5期发表