试论物理模型在中学物理教学中的作用和意义_王向阳

1、新疆教育学院学报9 918年第4期试论物理模型在中学物理教学中的 作用和意义王向阳摘要本文通过对物理模型的介绍,论述了物理模型在中学物理教学中的作用和意义。关健词物理模型应试教育素质教育一、物理模型概 述1、物理模型的概念:实际 问题的研 究往往很复杂,由众多的因素所决定 的,为了便于分析和研究问题,物理学常采用一种“简化”的方法即对实际问题进行科学的抽象化处理,抓住其主要因素,忽略其次要因素,得出一种能反映原物体本 质特性 的理想物质(过程)或假设结构,此种理 想物质(过程)或假想结构就称之为物理模型。因此,物理模型是人们通过科学思维对物质世界中的原物的抽象 描述,是按照物理科学研究的特定目的,用物质形式或思维形式 对原型客体本质关系的再现.人们通过对物理模型的认识与研究,去获取关于原型 客体的知识及其在 自然界中的运动变化规律。它是一种物理学研究的常用方法。2、物理模型的分类及其特性:物理模型按其设计思想可分为理想化物理模型和探索性物理模型。理想化物理模型的特点是突出研究客体的主要矛盾,忽略 其次要因素,将物体抽象成只具有物体主要因素但并不客观存在的物质(过程),从而使研究间题简化

2、.如 中学物理教材中的质点、点 电荷、理想气体、匀速直线运动、完全弹性碰撞模型等等。探索性物理模型的特点是依据观 察或实验的结果,假想出物质的存在形式,但其本质属性还在进一步探索之中。如中学物理 中的原子结构 模型,光的波粒二象性模型等 等。3、物理模型的功能人们建立和研 究物 理模型的功能主要在于:一、可以使问题的处理大为简化而又不会发生大 的偏差,从 中较为方便地得出物体运动的规律;二、可以对模型讨论 的结果稍加修正,即可 用于对实际事物分析和研究,三、有助于对客观物质世界的真 实认识,从而达到认识世界,改造世界,为人类服务的目的。4、中学物理教材 中经常碰到的几种物理模型(1 )理 想对象模型,即把物理问题中的研 究对象模型化。例如在研究物体 的机械运动 时,当物体做平动或其线度与所研究的间题 中的距离相比可忽略不计时,常将物体抽象 为质点模型,从而使所研究 的问题大为简 化,便于得出结论.中学物理教材 中还有象: “点电荷”、“理 想气体”、“单摆”、“点光源”、“薄透镜”等都属于这一类物理模型。( 2)物理过程模型,即把研究的物理 对象的实际运动过程进行近似处理,排除其在实际

3、运动过程 中的一些次要因素的干扰,使之成为典型的物理过程。如研究一个物体从竖直上升的直升飞机上掉 下的运动过程。我们首先考虑其具有竖直向上的初速度和受地球的吸引力,根据万有引力公式F一GM油m物r /2可知,物体在运 动过程,随着距 地面的高度h的变化而变化,越接近地面,F越大;其次还要考虑空气阻力、风速、地球自转等因素的影响.这样考察物体的运动过程就显得十分复杂,研究起来亦十分不方便。为此,我们在研究物体 的运 动过程 中,突出物质运动的主要因素,即受重力作用 上抛,而忽略其它次要因素的影响,并将重力视为恒力(在高度不十分大 时),通过如此简化,使研究的问题 大为简化,其研究结果 也不致影响到基本规律的正 确性,从而成 为物理学 中一个典型的运 动过程,即竖直上抛运动.这 种物理 模型称之为过程模型。此类处理方法在中学物理教材中经常出现,如物体的“自由落体运动”、“平抛运动”、“斜 抛运动”、理想气体 的“等温”、“等容”、“等压”过程,两物体的完全弹性撞过 程,匀速直线运动过程等等。( 3)物理实验模型,即把物理实验过程进行理想化处理,然后根据逻辑法则,对过程做进一步的分析,推理得

4、出实验结论。如伽里略论证惯性定律虽然实际上是做不到的设想的实验一在无摩擦 的情况 下,从斜槽上滚下的小球将以恒定的速度在无限长的光滑水平面上永不停止地运动下去.再如在研究电场强度 时,设 想在电场中放置一个 不会引起电场改变 的检验电荷,去考查它在各点的FQ /值等等.81试论物理模 型在 中学物理教学中的 作用和 意义王向阳( 4)物理等效模型,即通 过充分挖 掘原有物理模型的特征 去等效 具有相似性质或特点的现象和相似运动形态的物质和运动。如用单摆振动等效类比电磁振动荡过程;将理想气体分子等效为弹性小球,并用弹性 小球对器壁的碰撞去解释和推导气体压强公式等等。(5 )物理数学模型,即建立以物理模型为描述对象的数学模型,进行对客观实体的近似的定量计算,从而使间题由繁到简。如在计算氢原子 能级时,以原子的核式结构模型为研究对象,选定r一时的势能为零,再如单摆的摆线与竖直方向的夹 角不得大于5度,使弧线计算转化为直线计算等等。二、物理模型在 中学物理教 学中的作用l、物理模型具有教师传播知识和学生获取知识 的桥梁作用中学物理教材 中各部分 内容 都以物理 模型为基础向学生传达物理知识的,

5、物理模型即是中学知识中的一个组成部分,又是 中学物理知识的载体,通过对其分析与讲解,是教师在课堂 上向学 生传播 知识常用的一种基本方法,同时也是学生获取物理知识的重要途 径。因此物理模型是教师传授知识 与学生获取知识的桥梁,只要掌握住这一点,教、学 双方就容易达到各自的目的。因此,物理模型在中学物理教学中起了很重要 的作用。2、物理模型有使 教学过程软化的 作用中学物理教材中的许 多物理 知识比较 抽象难懂,往往不 易被学生理解和接受,学 生常感到间题复杂,学习起来困难。但通过采用模型方法来实施教学,突出间题的主要因素,约化其次要因素,帮助学生建立起清晰的物理情景,暴露物理过程,达到疏通思维渠道,使 物理 向题由难变易,由繁化简,起到软化教学过程的作用。如“子弹打木块”模型就 是一个非常有用的物理模型。例1、如图1所示,质量为M的木块静置于光滑的水平面上,一质量为m、速度 为v。的子 弹水平射入木块,并未能穿出(设木块对子弹的阻力恒为f)。求:(l )木块运动 的最大速度;(2)子弹减少 的动 能;(3 )木块增加 的动 能;( 4)系统 损失的机械能;(5 )子弹进入木块 的深度;

6、【追问 1若已知木块长度为L,欲 使子弹穿透木块,子弹的速度至少为多少?分析把木块和子弹组成 的整 体(系统)作为研究对象,因其水平方向不受外力 的作用,故系统的 动量守恒,子弹和木块最终达到的共同速度便是木块运 动的最大速度,同时,由于二者之 间有摩擦力的作用,使木块动能增加,子弹 的动能减少,且摩擦力做的功有一部分转化为系统 的内能,所以系统 的机械能减少。解:子弹进入木块的过程中,系统运动状态如图2所示.设子弹进入木块深度为S,木块位移为S,子 弹和木块最终速度为护(l )由动 量守恒定律得:mv。=(m+M)v(1)解之得:v ,mv o/(m+M),此 即为所求木块的最大速度。( 2)子弹 减少的动能弃弃f f f乙五1由( 1) (2)两式可解得乙五l(3 )木块增加 的动 能乙EZ由(1)(3)式可解得乙EZ(4 )系统 损失的机械 能E由( 1)(4)两式可解得乙E(5 )根据动能定理,有82一mv 022 /一m护2/2(2)驾厂一 m已!对(M+Zm)材介Jvo Z2(M+m)“材刀2/2(3)材方.2voZ2(M+ni)2=mvo Z/2一(M+m)v“/2(4)

7、图2五翻理voZ2(M十m )新疆教育学院学报 (汉文 理 科版)19 98年第4期(兑第4 1期 1 4梁对子弹:一f(s+山)一n,v2/2一 。vo Z/2对木块:f s一几了刀2 /联立(1)(5)(6)三式得(5)(6)gM, ,vo ZZf(M+l n )(7)此即为子弹进入木块 的深度.因题设木块长度 为L由(7 )式可知,欲使子弹穿透木块,子 弹速度应为v。)了Zf(M+m)L/几 了阴例2、如图3所示,一半径为R的光滑的四分之一圆弧轨道下端紧接一足够长的质量为 M 的小车,其上端面粗糙且置于光滑水平面上,另一质量为n l的小滑块自圆弧轨道上端由静止滑下(设滑块与车上端面的摩擦系数为川。求:(1 )小滑块最终的速度;( 2)小滑块损失的机械能;( 3)摩擦力对小车做的功;( 4)整个运动过程中系统产生的热量;(5 )滑块在小车上端面上的相对位移;图3【追问】若已知车长为L,欲使小滑块不至于从车上掉下来,求圆弧轨道的半径R。将例2与例1相比较可以看 出,虽然其物理过程的表面迥然不同,然 而只要将小滑块比作“子弹”,将小车比作木块,且认识到例2中的 圆弧部分的设置只不过是为

8、了使小滑块获得“射击”小车 的速 度。则接下来的整个运 动过程完全等效于例1中的“子弹打木块”,其“射击速度”可 根据机械能守 恒求得,因为mv o,2 /一mgR,所以v。了菇天.至此,例2中所有间题的答案仿照例1便不解 自见 了。例3、如图4所示,质量为M的沙袋 用一较长的细线悬挂于O点。静止的沙袋中心距地面 高度为h,另有质量 为m,速度为v。的子弹沿沙袋中心水平射穿沙袋(设时间极短),然后落在距沙袋原位置水平距离为S的地方,若沙袋对子弹的阻力恒为f,空气阻力不计。求:(1 )沙袋 能升多高?、才、?下.介l( 2)此过程中能产生多少热量?分析此 例 的关键物理过程是子弹穿透 沙袋,故仍然可以等效于“子弹打木块”模型,只是接 下来的物理过 程为:子弹穿过沙袋 后做平抛运动,沙袋以一定速度摆起,其机械能守恒。解设子 弹穿出沙袋后的速度为二l,沙袋 获得的速度为v:,沙袋摆起的高度为 H(1 )子弹穿过沙袋的过程中,水平方向动量守恒,有mu。mv,+3夕 bZ( 2)子弹穿过沙袋 后做平抛运动,有h=gtZ/2S=v,t沙袋摆起过程中,悬线拉力不做功,其机械能守恒,有材宕H材.:2/

9、2可联立解得:图4HQ-粉n l s丫庵天ZMh)2/29mvoZ/2一 mv, 2/2一材勺2 2/2=mv。 ,/2一n95,/4h一(n:v。一m s了承/2、),2M例4、如图5所示,质量为M一1 00克的铝框,用较长细线 悬挂起 来。静止 时框 的中央距地面高为h-一质量为,一2 00克的磁铁以v。一1 0 米/秒的水平速度射入并穿过铝框,落在距框原位置水平距离 为S处,则在磁铁穿过铝框后:. 08米。有6米试论物理模型 在中学物理教学中 的作用和意义王向阳(1 )铝框 向哪边偏转?它能上升多高?(2 )在磁铁穿过铝框的整个过程 中,框 中产生多少电能?分析乍看起来,例4与例3有天壤之别,从题面上看,例3为力学题,例4为 电磁学题;从作用实质看,例3为接触摩擦力作用,例4为电磁力作用;从能量转 化角度看,例3为机械能损失转化为内能,其物理过程较为明显和熟悉,例4为机械能损失转化为电能,最终又转化 为内能,其物理过 程则较为隐蔽和抽象,通过比较和归纳,可以认为例4是 由例3演绎而来的,“子弹打木块”的物理模型 同样适用。仿照例3的方法不难解得:(1 )铝框 向右边偏斜,它能上升的高度为。.2米。(2 )整个过程中,框中产生的 电能是1.7焦耳,通过对上述复杂问题进行模型的分 析处理,从而 使学生容易理解和掌握规律,起到了降低 教学难度的作用。( 3)物 理模型有促进学生能力提高的作用每一个物理过程 的处理,物 理模型的建立,都离不开对 物理问题二击一叔.研丫图5的分 析。教学 中,通过对物理模型的设计思想及分析研 究思路的教学,能培养学 生对较复杂物理间题 进行具体 分析,区分主要因素和 次要因素,抓住问题的本质特征,正确运用科学抽象思维的方法去处理 物理间题 的能力,有助于学生思维 能力的提高,有助于学生去掌握物理学的研究方法。利用物理模型培养学生的形象思维能力。第一、帮助学生形成正确的物 理形象,其一,使学生熟知各种理想化模型和理想化过程;其二,采用实验、模型、挂图、电化教学等手段在学生头脑中形成真实形态.第二、培养学生运用物理 模型思考问题的习惯。在头 脑中建立起正确的物理模型图景的目的是为了运用形象分析研 究问题。从建立物理模型到运用物理模型是一个飞跃,需要用一些典型的范例 来帮助学生(如前面讲到的例1、

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