物理教学要加强学生建立物理模型能力的培养

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物理教学要加强学生建立物理模型能力的培养
——以天津高考物理计算题为例
作者：天津开发区第一中学 张农隆 天津开发区教育促进中心 朱行建

物理和生活实际联系较为紧密，物理题目的内容与形式也千变万化，给学生的学习带来了一定的困难。对物理题进行由表及里、由此及彼和举一反三的分析和整理，找出物理题的核心与相同点是物理学习与教学的一个重点和难点。对此问题已有不少人从不同角度进行了分析和研究，并得出了一些有价值的结论。本文利用物理模型来寻找高考物理试题的相同点，同时提出培养学生建立物理模型能力的方法与策略，以期能与广大同行交流研讨。
一、物理模型的含义与特点
所谓物理模型，就是人们为了研究物理问题的方便和探讨实物的本质而对研究对象所做的一种简化的描述或模型。为了形象、简捷地处理物理问题，人们经常把复杂的实际情况转化成一定的容易接受的简单的物理情境，从而形成一定的经验性的规律，即建立物理模型。
以上对物理模型含义的论述表明了物理模型具备以下特点：
1．复杂问题简单化。物理模型来源于实际问题但又不同于实际问题，它是对实际问题进行简化，以达到突出实际问题的主要因素，暴露问题的根本矛盾和矛盾的主要方面。也就是说，它是一个理论上的问题，是一个理想化的模型。
2．具体问题普遍化。近代物理学最突出的研究方法就是实验方法和分析方法，用分析和归纳等形式的逻辑方法将实际经验规律化和公理化，得出适用于某一领域的最普遍的结论。而这些分析和归纳的出发点和落脚点就是物理模型的建立和运用，物理公式和定律的运用在所建立的物理模型中是有普遍适用性的，但是再普遍的公式和定理也只能适用于某个范围的特殊物理模型之下。
3．整体问题分解化。所有物理问题不论它以何种面貌出现，它的核心内容应为某一个或者某些物理模型，即物理模型的出现不是单一的，若干简单的物理模型可以通过有机组合成为一个复杂的物理模型，一道物理试题是由一个或一个以上的物理模型组成。相反，求解一道难度较大的物理题其实是一个将其拆分成若干简单的物理模型的过程。
4．变化问题稳定化。实际的具体问题有很多，表面形式不同的问题可以抽象出一类相同模型的物理问题。这是因为物理领域的探索和发现所建立的物理模型是固定的，所以利用模型的方法来解决物理问题是一个稳定有效的方法。
二、物理试题的简化与分类
物理模型一般可分三类，即实体模型（如质点）、状态模型（如平衡）、过程模型（如简谐运动）。下面，我们以过程模型对高中物理试题进行简化与分类。
（一）直线运动模型
1．匀速直线运动模型（模型1）
（1）基本特征：①运动特征：轨迹为直线，物体的位移随时间均匀增加，物体的速度不变。②受力特征：物体所受合外力为零
（2）所用知识：共点力平衡条件、匀速直线运动公式
2．匀变速直线运动模型（模型2）
（1）基本特征：①运动特征，轨迹为直线，物体的速度随时间均匀增加，物体的加速度不变；②受力特征，物体所受合外力恒定，方向与速度方向在一条直线上。
（2）所用知识：匀变速直线运动规律、运动与力的关系、功与能的关系。
3．非匀变速直线运动模型（模型3）
（1）基本特征：①运动特征，轨迹为直线，物体的速度随时间不均匀增加，物体的加速度变；②受力特征，物体所受合外力不恒定，方向与速度方向在一条直线上。
（2）所用知识：运动与力的关系、功与能的关系。
（二）曲线运动模型
1．平抛运动模型（模型4）
（1）基本特征：①运动特征，轨迹为抛物线，物体的速度随时间均匀增加，物体的加速度不变；②受力特征，物体所受合外力恒定，方向与初速度方向垂直。
（2）所用知识：平抛运动规律、运动与力的关系、功与能的关系。
2．匀速圆周运动模型（模5）
（1）基本特征：①运动特征，轨迹为圆周，物体的线速度大小不变，物体的加速度大小不变；②受力特征，物体所受合外力大小不变，方向与速度方向垂直。
（2）所用知识：圆周运动公式、运动与力的关系、功与能的关系。
3．一般的曲线运动（模型6）
（1）基本特征：①运动特征，轨迹为曲线，物体的速度随时间改变；②受力特征，物体所受合外力方向与速度方向不在一条直线上。
（2）所用知识：运动与力的关系、功与能的关系。
三、高考试题的统计与分析
为了方便说明问题，以下只对近三年天津高考物理试题中的计算题进行统计分析，让大家直观了解到上述六种模型在计算题中出现的情况。
模型1 模型2 模型3 模型4 模型5 模型6
2010年 第11题 第12题 第10、12题
2011年 第11题 第12题 第10题 第12题 第10题
2012年 第11、12题 第11题 第12题 第10题
天津物理高考试卷每年只有三道计算题（第10、11、12题），从上表的统计可以看出上述六种模型在计算题中出现的几率特别高，其中模型6每年都出现。
下面就以一道2012天津高考物理试卷第12题为例对模型化方法进行说明：
对铀235的进一步研究在核能的开发和利用中具有重要的意义。如图所示，质量为m、电荷量为q的铀235离子，从容器A下方的小孔S1不断飘入加速电场，其初速度可视为零，然后经过小孔S2垂直与磁场方向进入磁感应强度为B的均强磁场中，做半径为R的均速圆周运动，离子行进半个圆周后离开磁场并被收集，离开磁场时离子束的等效电流I。不考虑离子重力及离子间的相互作用。（1）求加速电场的电压U；（2）求出在离子被收集的过程中任意间t内收集到离子的质量M；（3）实际上加速电压的大小在U±ΔU范围内微小变化。若容器A中有电荷量相同的铀235和铀238两种离子，如前述情况它们经电场加速后进入磁场中发生分离，为使这两种离子在磁场中运动的轨迹不发生交叠，应小于多少？（结果用百分数表示，保留两位有效数字）
【模型分析】题中叙述的问题可分为两个过程，第一个过程的运动特征是轨迹为直线，加速度不变，符合匀变速直线运动模型特征。第二个过程的运动特征是轨迹为圆周，线速度大小不变，符合匀速圆周运动模型特征。该题实际是由匀变速直线运动模型和匀速圆周运动模型组成。
【解题思路分析】根据上述两模型所对应知识，解本题可供选择的主要知识有：（1）匀变速直线运动规律、运动与力的关系、功与能的关系；（2）圆周运动公式。
【解题】（1）由功与能的关系（动能定理）有：qU= ①
由圆周运动公式（向心力公式）有：Bqv= ②
由①②解得：U= ，(2)(3)问题略。
四、物理模型的教学策略
通过以上叙述和分析，可以看出，每年的高考物理试题表面上不同，但物理模型基本固定，即每年所考的物理模型基本是相同的。由此可知，在日常物理教学中要求学生能熟练掌握高中所遇到的每一种物理模型的特征和处理方法是必要的。虽然高中遇到的物理模型不止上述六种，但是相对于题海战术来讲，对于每一种物理模型的针对性训练是更为有效的，也是可操作的。只要使学生掌握了这些有限的物理模型，就能做到“以不变应万变”。在物理教学中我们可以采用以下一些方法与策略来培养学生建立物理模型的能力：
1．明确物理过程，构建准确的物理模型。从本质上讲，分析和解答物理问题的过程，就是构建物理模型的过程。物理习题中所描述的物理过程往往比较复杂，必须在审题时加以分析、纯化，建立起理想化的物理模型，在头脑中建立一幅清晰的物理图景，才能解决较为复杂的物理问题。
2．挖掘隐含条件，构建物理模型。在物理题目中，有些条件是题目明确显现出来的，而有些条件则是“含而不露”的，对这些具有“隐蔽”性的条件，只有全部挖掘出来，才能使一些比较模糊的物理过程具体化、形象化，才能揭示出它的特征和规律，然后建立方程求解。
3．紧扣关键词句，构建物理模型。在描述物理事物的结构或发展变化过程的时候，往往使题目的文字量较大，致使题目篇幅较长，这就给审题带来一定的困难。因此学生在审题时要注意把握住关键词句。

（责任编辑：高 杰）