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        多種方式引導(dǎo) 促進(jìn)物理模型思維的發(fā)展

        2017-08-10 23:51:57管雪琴
        關(guān)鍵詞:物理學(xué)史物理模型實(shí)際應(yīng)用

        管雪琴

        【內(nèi)容摘要】法國科學(xué)方法論學(xué)者阿雷曾經(jīng)說過:“科學(xué)的基本活動就是探索和制定模型?!惫P者在多年高中物理教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,總結(jié)了幫助學(xué)生正確認(rèn)識物理模型的意義、建立發(fā)展物理模型抽象思維,進(jìn)而熟練使用模型解決實(shí)際問題的多種方式。

        【關(guān)鍵詞】物理模型 物理學(xué)史 實(shí)驗(yàn) 多媒體 實(shí)際應(yīng)用

        經(jīng)常聽到有學(xué)生說,老師好厲害,一道題一下子就解出來了,我們?yōu)槭裁凑也坏浇忸}的方向呢?究其原因,在教師的頭腦中存在著一個個基本的物理模型,能很快地舉一反三,因此能適應(yīng)題目的任何變化。而學(xué)生的頭腦中若沒有形成這種基本的物理模型,就很難靈活地舉一反三。因此,促進(jìn)學(xué)生物理模型思維的發(fā)展就顯得尤其重要了。在高中物理教學(xué)中,可以通過多種方式引導(dǎo),促進(jìn)學(xué)生物理模型思維的發(fā)展。

        一、物理學(xué)史引導(dǎo),認(rèn)識物理模型的意義

        高中物理教材中有許多物理學(xué)史的教育內(nèi)容。如“原子模型的建立與發(fā)展”:從湯姆遜葡萄干布丁模型到盧瑟福行星模型,到玻爾模型的建立,再到現(xiàn)代的電子云模型。通過史實(shí)介紹,幫助學(xué)生建立原子結(jié)構(gòu)模型,明確原子結(jié)構(gòu)模型是一個假想結(jié)構(gòu),并且是隨著人們對微觀世界認(rèn)識的進(jìn)步發(fā)展而逐步完善的。

        再如學(xué)習(xí)“牛頓第一定律”時,可以引導(dǎo)學(xué)生回顧史實(shí)材料:伽利略對“有力才有運(yùn)動,力撤去運(yùn)動就停止”的精心研究;伽利略對接斜面的理想實(shí)驗(yàn);伽利略從觀察教堂中的燈擺動到伽利略針和單擺實(shí)驗(yàn)。通過一系列的小故事不僅滲透物理學(xué)科的研究方法和物理思想,也讓學(xué)生理解正是伽利略和牛頓構(gòu)建了光滑這一理想化的模型,才有了慣性定律的重大發(fā)現(xiàn)。

        考查物理學(xué)史的過程中,師生一起循著前人的足跡,體會物理知識的形成過程,會發(fā)現(xiàn)物質(zhì)世界是復(fù)雜多樣的,物理現(xiàn)象和物理規(guī)律也是復(fù)雜多樣的,前人在物理學(xué)研究中抓住了其主要因素,突出了其本質(zhì)特征,建立了一種理想物質(zhì)、理想過程或假想結(jié)構(gòu),才使復(fù)雜的事物、過程簡單化。使學(xué)生體會這就是建立物理模型的抽象思維過程,也正是模型的建立,才不斷促進(jìn)物理學(xué)研究的發(fā)展。

        二、實(shí)驗(yàn)引導(dǎo),建立物理模型思維

        物理實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生更好地理解自然現(xiàn)象的本質(zhì)。通過實(shí)驗(yàn)引導(dǎo),學(xué)生體驗(yàn)建立模型的過程方法,在體驗(yàn)中思考、感悟以至升華。因此實(shí)驗(yàn)是幫助學(xué)生建立物理模型思維的基本途徑。

        如建立“勻變速直線運(yùn)動”模型時,先讓學(xué)生做分組實(shí)驗(yàn),然后通過對紙帶數(shù)據(jù)的處理判斷物體是否做勻變速直線運(yùn)動,體會逐差法在數(shù)據(jù)處理中的優(yōu)勢;再引導(dǎo)學(xué)生用圖像法表示速度隨時間的變化關(guān)系,繪制“v-t”圖像,培養(yǎng)學(xué)生利用圖像處理數(shù)據(jù)的能力,體會數(shù)學(xué)工具在物理問題中的應(yīng)用。在學(xué)生實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理、圖像處理的過程中,不可見的“加速度”躍然紙帶和圖像上,在學(xué)生腦海中形成直觀且形象具體的物理模型,拉近了模型與實(shí)際的距離,抽象的“勻變速直線運(yùn)動”漸漸變成具有思維特征的物理模型。這樣通過學(xué)生自主體驗(yàn)建立起來的物理模型也因此令人印象深刻。

        三、多媒體引導(dǎo),發(fā)展物理模型思維

        物理同生活密切相關(guān),而學(xué)生生活經(jīng)歷較少,平時對生活中的物理現(xiàn)象又缺乏觀察與思考,造成抽象思維缺失,很難建立物理模型思維。在課堂教學(xué)中,利用多媒體技術(shù),用直觀的影像可以彌補(bǔ)學(xué)生抽象思維的不足和生活經(jīng)歷的缺失。如很難讓學(xué)生直觀了解的布朗運(yùn)動、電磁場、盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)、光的粒子性、光電效應(yīng)等。再如講授“圓周運(yùn)動”時,利用多媒體手段讓學(xué)生觀察摩托車比賽時,彎道路面的傾斜角、飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時,機(jī)翼的傾斜情況等。

        物理教學(xué)中抽象知識理論比較多,學(xué)生不易理解,利用多媒體引導(dǎo),有助于將這些抽象的知識理論具體化、形象化、直觀化,有助于學(xué)生進(jìn)一步發(fā)展物理模型思維。如“電磁流量計”中的“液柱”模型、“理想氣體”模型、“分子勢能”的“彈簧”模型等。

        有些物理過程漫長或稍縱即逝,都不易觀察。通過多媒體引導(dǎo),可將這些物理過程變?yōu)榭煽氐摹⒂行虻难菔具^程,使學(xué)生獲得完整、清晰、形象的體驗(yàn)過程。如“海市蜃樓”等。再如學(xué)習(xí)“萬有引力”時,通過多媒體模擬再現(xiàn)卡文迪許的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)、展示根據(jù)萬有引力和圓周運(yùn)動理論逐步發(fā)展起來的航天事業(yè)和天文事業(yè)。不僅讓學(xué)生建立了物理模型,也使學(xué)生認(rèn)識到物理模型的重要性、實(shí)用性。

        四、實(shí)際應(yīng)用中引導(dǎo),強(qiáng)化物理模型思維

        學(xué)生解題困難,其中一個重要原因就是學(xué)生對題目的物理過程不甚理解,頭腦中即使有了相關(guān)的物理模型,但是不能靈活地舉一反三,不能與相關(guān)模型建立對應(yīng)關(guān)系。作為教師,我們不妨告訴學(xué)生,物理習(xí)題雖然千變?nèi)f化,但都是依據(jù)一定的物理模型,考查各相關(guān)物理量之間的關(guān)系。我們解題的過程就是根據(jù)題目給出的已知條件,將題中隱含的物理模型還原,找出各物理量之間的關(guān)系,然后列式求解的過程。這個過程需要學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用中體驗(yàn),然后頓悟。因此,在課堂教學(xué)中,教師應(yīng)強(qiáng)化物理模型在問題解決中的實(shí)際應(yīng)用。

        (1)例題教學(xué)中著重引導(dǎo)分析。實(shí)際題目中,錯綜的信息材料包含著復(fù)雜的物理因素。教師應(yīng)充分利用例題教學(xué),引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會如何對題目信息進(jìn)行加工提煉,再通過抽象、概括、聯(lián)想類比、啟發(fā)遷移等思維活動,理解題中的物理圖景,構(gòu)建出相關(guān)的物理模型(如對象模型、條件模型和過程模型等)。例如在題目中出現(xiàn)“接觸面光滑”即不考慮摩擦,“兩物體間的距離遠(yuǎn)大于它的線度”意為物體可以視為質(zhì)點(diǎn),“輕質(zhì)彈簧”或“輕繩”即指不考慮彈簧或繩的質(zhì)量。在有關(guān)電磁流量計、霍爾效應(yīng)等問題中,一般是先建立“勻強(qiáng)電場模型”;研究靜電除塵問題時,則往往將均勻分布的塵粒看做“質(zhì)心位于電間中點(diǎn)位置”的模型等。

        例1:設(shè)月球表面均勻帶負(fù)電,一電子粉塵懸浮在距月球表面1000km的地方不動;又若將同樣的電子粉塵帶到距月球表面2000km的地方,相對月球無初速釋放,則此電子粉塵( )。

        A.向月球下落

        B.仍在原處懸浮

        C.推向太空

        D.無法判斷

        【解析】依題意,月球表面均勻帶負(fù)電,可以建立模型,即負(fù)電荷全部集中在月球中心。

        由 可知,電子粉塵在距月球表面同一位置時,所受萬有引力與庫侖力相等。故選B。

        通過例題教學(xué),教師還應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會如何根據(jù)題設(shè)條件,發(fā)現(xiàn)物理過程的本質(zhì)特征,然后建立熟悉、簡單的等效模型,使復(fù)雜問題簡單化,求解過程優(yōu)化。

        例2:偵察衛(wèi)星在通過地球兩極上空的圓軌道上運(yùn)行,它的運(yùn)行軌道距地面高度為h,要使衛(wèi)星在一天的時間內(nèi)將地面上赤道各處在日照條件下的情況全都拍攝下來,衛(wèi)星在通過赤道上空時,衛(wèi)星上的攝像機(jī)至少應(yīng)拍攝地面上赤道圓周的弧長是多少?設(shè)地球的半徑為R,地面處的重力加速度為g,地球自轉(zhuǎn)的周期為T。

        【解析】依題意,可將極地偵查衛(wèi)星看做質(zhì)點(diǎn),建立其運(yùn)動模型:勻速圓周運(yùn)動。設(shè)其周期為T1,

        設(shè)周期為T1,則: ①

        地面重力加速度為g,則有:

        由①②可得衛(wèi)星周期:

        其中r=h+R

        地球自轉(zhuǎn)周期為T,則衛(wèi)星繞行一周,地球自轉(zhuǎn)角度為:

        ∴衛(wèi)星每經(jīng)赤道上空時,攝像機(jī)至少拍攝赤道圓周的弧長為:

        由以上兩道例題可知,復(fù)雜的問題往往可以拆解為多個相關(guān)聯(lián)的物理模型,我們只有理解出題者設(shè)計題目的意圖,建立清晰、準(zhǔn)確的物理模型,才能理清思路,順利解題。

        (2)通過圖形化訓(xùn)練強(qiáng)化學(xué)生的模型思維。高中物理問題的解決需要學(xué)生具備較高的抽象思維能力,學(xué)生若對物理過程的“難以想象”,勢必在分析物理過程時會“難以理解”。因此,教師可通過畫圖分析引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)物理模型,通過圖象把難以想象的問題情景直觀形象地展現(xiàn)出來。如探究物體的運(yùn)動規(guī)律時,可以畫物體受力圖、運(yùn)動狀態(tài)圖,還可以利用數(shù)學(xué)知識畫運(yùn)動規(guī)律二維圖象,畫圖過程既是對物理過程的有序分析過程,也是學(xué)生建立物理模型的抽象思維過程,有時,隨著圖形圖像的畫出,所求問題即迎刃而解。

        綜上所述,幫助學(xué)生正確認(rèn)識物理模型的意義、建立發(fā)展物理模型抽象思維,進(jìn)而熟練使用模型解決實(shí)際問題是高中物理課堂教學(xué)的重要任務(wù)。建立物理模型抽象思維是高中物理學(xué)習(xí)者應(yīng)該具備的基本物理素質(zhì),物理問題的解決過程,實(shí)際上也是正確選用并使用物理模型的過程。正如法國科學(xué)方法論學(xué)者阿雷所說:“科學(xué)的基本活動就是探索和制定模型?!?/p>

        【參考文獻(xiàn)】

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        [4] 閻金鐸、田世昆. 中學(xué)物理教學(xué)概論[M]. 高等教育出版社.

        [5] 田進(jìn)昆、胡衛(wèi)平. 物理思維論[M]. 廣西教育出版社,1996.12.

        (作者單位:江蘇省昆山中學(xué))

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