(江蘇省宜興市陽羨高級中學(xué)，江蘇 宜興 214200)

建模思想在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用初探

張燕尹聰

(江蘇省宜興市陽羨高級中學(xué)，江蘇 宜興 214200)

建模是對研究對象、物理過程和物理規(guī)律等進行模型化處理的過程，本文探討了建模思想在高中物理教學(xué)中的作用、意義和構(gòu)建物理模型的常用方法，結(jié)合實例，展示了建模思想在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用。

高中物理；建模思想；物理教學(xué)

建模是指在研究客觀存在問題時，透過問題的表象來闡明事物的本質(zhì)，建立理想模型解決實際問題。吉爾伯特(Gilbert)認(rèn)為物理學(xué)是研究物理現(xiàn)象和規(guī)律的自然科學(xué)，而科學(xué)本身是建模過程。為了弄清研究中的物理問題，我們往往需要忽略一些次要因素，抓住主要因素，建立物理模型來解決問題。

1 建模思想在高中物理教學(xué)中的作用和意義

1.1 幫助學(xué)生明晰問題

在高中物理學(xué)習(xí)過程中，有很多學(xué)生能理解知識但不會做，其原因是對知識的理解不夠，分析問題不到位。通過建?？梢允箤W(xué)生分析和理解物理問題的能力越來越強，尤其是對于復(fù)雜而抽象的問題，模型的建立可以簡化問題，抽象具體。比如天體運動，我們沒有看到物體如何運動，但我們知道有些天體運動軌跡是橢圓，其偏心率很小，則可以簡化為勻速圓周運動模型來進行處理，這樣更方便我們理解天體運動。

1.2 提高學(xué)生解決問題的能力

一個物理模型要經(jīng)過反復(fù)實驗、總結(jié)和改進，從而得出正確的模型。在實際過程中學(xué)生可以體會到科學(xué)的奧秘與探索的艱辛。這樣不僅可以提高學(xué)生的應(yīng)變能力，還能提高他們的邏輯思維能力和運用科學(xué)方法解決問題的能力。

1.3 提高學(xué)生解決未知事物的創(chuàng)新能力

物理建模是一個探究未知規(guī)則的過程，在這個過程中沒有捷徑，是一個新的創(chuàng)造過程。這樣開放思維的探索過程對學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)非常有利，同時在老師的幫助指導(dǎo)下，每一次成功，能讓學(xué)生體驗到學(xué)習(xí)的樂趣，而且還可以提高他們學(xué)習(xí)物理的信心和興趣。

2 構(gòu)建物理模型的常用方法

在模型教學(xué)中，教師首先要說明建立模型是研究問題的有效方法。其次，有必要明確每個模型是如何通過抽象建立的，每個研究對象被抽象成相應(yīng)的模型。至于應(yīng)該采用什么樣的建模方法取決于問題本身的性質(zhì)和研究的需要，通過忽略次要因素、抓住主要因素，使研究對象轉(zhuǎn)化為熟悉而簡單的物理模型，然后運用數(shù)學(xué)等方法使問題得以順利解決，常用方法如下。

2.1 科學(xué)抽象法

科學(xué)抽象是提取事物的主要方面或?qū)傩裕雎砸恍┐我蛩?。例如：從南京到北京的列車運行過程中，為了便于研究，忽略其長度，列車可以抽象成質(zhì)點模型；在研究物體運動時，我們要考慮接觸面光滑的問題；我們注意到，下落物體所受空氣阻力相對于重力是非常小的，可以忽略不計，所以可抽象成自由落體運動模型。

2.2 微元法

在研究物理學(xué)中的一些復(fù)雜問題時，有時需要研究許多小單元，在這個過程中，小的變化通過積累，可得到整個研究對象或物理規(guī)律變化的全過程。例如：x=vt位移公式用于研究勻速直線運動，當(dāng)研究勻變速直線運動位移和時間的關(guān)系時，教師可以讓學(xué)生畫出v-t圖像，無限分割成許多小的部分，每段時間都很短，因此可以近似把每段看成是勻速直線運動，我們可以通過面積求和，求出勻變速直線運動的位移，而且還可以擴展到變速直線運動。

2.3 等效替代法

在高中物理教學(xué)中，許多教師都發(fā)現(xiàn)了這樣一種現(xiàn)象，有的學(xué)生在學(xué)習(xí)物理概念和規(guī)律時認(rèn)識不到位，雖然物理知識比較簡單，但學(xué)生不能表達清楚。在許多物理問題中所包含的物理模型是相似的，如果他們在本質(zhì)上是相同的，我們可以通過分析，找出它們的共性，從而將問題簡化。等效方法可以簡化復(fù)雜的物理問題，給我們帶來極大的方便。

2.4 類比法

類比是比較相同或相似的事物，根據(jù)兩個事物的相似性推斷出它們在其他方面可能有類似的屬性。

3 建模思想在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 條件模型

物理模型是建模思想的產(chǎn)物，因為它是在一定條件下構(gòu)建的，所以只能在一定條件下使用。物理模型的建立可以簡化復(fù)雜問題。當(dāng)然，實際事物作為理想模型來處理，要根據(jù)具體情況進行分析。

(1) 研究對象的模型化

質(zhì)點模型、原子模型、理想氣體模型等均屬“對象模型”。它的特點是將研究對象簡化成某種理想模型，從而使問題簡化、直觀、形象。

(2) 條件的模型化

物理過程總是在一定條件下發(fā)生，將條件理想化以便突出主要的物理現(xiàn)象與過程，這便是條件模型方法，例如“光滑”“均勻”“輕質(zhì)”等均屬條件模型。

例1：用r表示兩個分子間的距離，EP表示兩分子間相互作用勢能，當(dāng)r=r0時兩分子間斥力等于引力。設(shè)兩分子距離很遠時EP=0，則( )。

A. 當(dāng)r>r0時，EP隨r的增大而增加

B. 當(dāng)r

C. 當(dāng)r>r0時，EP不隨r而變

D. 當(dāng)r=r0時，EP=0

解析：我們將研究對象——相互作用的兩分子抽象為一個輕質(zhì)彈簧聯(lián)系著兩個小球的物理模型，當(dāng)彈簧不伸長時，即相當(dāng)于兩分子距離r=r0，引力等于斥力；若r>r0時，相當(dāng)于拉伸彈簧，顯然勢能增加；若r

3.2 過程模型

過程模型是將復(fù)雜的過程抽象為簡單的物理過程模型。例如勻速直線運動、自由落體運動、勻速圓周運動、簡諧運動等均屬過程模型。

圖1

例2：如圖1所示，A、B棒長均為1m，A的下端距離B的上端S=20m。若A棒自由下落的同時，B棒以初速度v0=20m/s豎直向上拋出，求兩棒從開始相遇到分離的時間。

4 結(jié)語

在建立物理模型的過程中，應(yīng)根據(jù)不同的實際問題，建立正確的模型，從而實現(xiàn)問題的簡化。解決物理問題包括：確定研究對象，忽略次要因素，總結(jié)物理規(guī)律，建立物理模型?？傊?，建模思想可以幫助學(xué)生運用知識，提高他們解決問題的能力。

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