浅谈物理模型的构建与物理思维的培养

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  [关键词]物理模型 构建 物理思维
  
  学生在掌握物理知识的时,要提高分析问题、解决问题的能力,而物理问题的解决都建立在科学的物理模型上。因此,从实际情景中构建物理模型,借助物理规律解决实际问题则成了一个重要环节。教师在平时的教学中更应注意培养学生良好的物理思维和建立科学的物理模型的能力。
  
  一、在实验探究中,抽象问题模型化
  
  在教学中,应注意消除学生对物理这门学科的畏难思想和恐惧心理,尽量做到抽象问题具体化、模型化。首先,注意教具、学具的制作,培养学生的学习兴趣,做到既动脑又动手,学会抽象问题模型化;其次,利用小实验、实验课,让学生对物理知识能有一个直观具体的认识;再次,在解答物理问题时,教师应要求学生在审题和想象物理图景后用示意图把它画出来。
  
  二、解决问题近似、抽象化
  
  实际物理问题千变万化,错综复杂,为了对实际问题简化,以便研究其中最本质的部分,求得最简单、普遍的规律,在解答问题时,必须对研究对象经过想象转化为物理模型,才能确定选用哪些知识解答问题,如,我们在研究太空中宇宙飞船的发射、运行等问题时,把卫星和飞船都当成“质点”,卫星、飞船绕地球的运动看成匀速圆周运动,把万有引力当成向心力来解决实际问题,这种近似科学的抽象,符合客观实际,在物理教学中,教师应注意培养学生对问题图景合理转化,建立良好的物理思维,构建科学的物理模型。
  
  三、实际运用构建理想模型
  
  1.在效果相同的条件下,用简单易懂的理想化模型去等效要研究的实际问题
  
  例1:如图所示,在水平地面上有一辆运动的小车,车上固定一个盛水的杯子,杯子直径为L,当车向右做加速为a的匀加速运动时,水平呈图示状态,求液面的高度差h。
  
  本题可假设在杯中水面上取一小滴水A,并把它等效为一个放在斜面上的小物体,从而构建理想模型,设A的质量为m,A受到重力和斜面的支持力作用,水平向右匀加速运动,则mgtanθ=ma,又tanθ=h/L,得h=aL/g。
  
  2.巧选参考系建模
  在求解物理问题时,选择不同的参考系,建立的物理模型不同,求解过程也不同,所以,解题时要注意参考系的选择。
  例2:百货大楼一、二楼间有一正以恒定速度向上运动的自动扶梯,某人以相对梯的速度V沿梯从一楼向上跑,数得梯子有N1级;到二楼后他又反过来以相对梯的速度V沿梯向下跑至一楼,数得梯子有N2级,那么,该自动扶梯实际为级。
  设人相对扶梯的速度为V,扶梯相对地面的速度为U,扶梯实际的级数为N,级间距离为S。以地面为参考系时,人上楼时间为NS/(V+U),人下楼时间为NS/(V-U),以扶梯为参考系,人上楼时间为N1S/V,下楼时间为N2S/V,由两参考系上楼、下楼时间均不变可列出方程,求出扶梯级数。
  3.利用科学的近似,还原物理模型
  例3:一架飞机以V1=600m/s的速度在空中匀速飞行,一只以V2=5m/s速度飞行的鸟迎面与飞机相撞,鸟身长L=20cm,质量m=0.5kg,求飞机受到鸟的平均撞击力?
  物理原始模型是解决物理问题的归宿,要还原物理模型,必须知道物体之间相互作用过程,进行抽象,达到模型还原的目的。本题为一道物体碰撞问题,①由于飞机质量远大于鸟的质量,因此,鸟与飞机相撞后,不会改变飞机的运动状态。②鸟与飞机相互作用时间很短,作用力巨大,鸟将会“粉身碎骨”,并与飞机以共同的速度运动,那么鸟碰飞机的过程可近似为一块“橡皮泥”在瞬间粘到飞机上,模型得到了还原,问题也得到了圆满的解决。
  
  (作者单位:湖南衡东实验中学)
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