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加强物理模型教学 提高解决实际问题的能力
作者:佚名 来源:本站原创 发布时间:2012年02月09日 点击数: 2123

要:在物理教学中通过构建科学的物理模型,培养物理模型意识的应用,注重学生科学方法和科学思维的培养,提高模型应用能力,提高解决实际问题的能力。

关健词:物理模型,模型意识,解决实际问题的能力

 

    物理学的目的就在于认识自然把握自然,面对复杂多变的自然界,人们在着手研究时,总是遵循这样一条重要的方法论原则,即从简到繁,先易后难,循序渐进,逐次深入。例如,在研究物体的机械运动时,实际上的运动往往非常复杂,为了使研究变为可能和简化,我们常采取先忽略某些次要因素,把问题理想化的方法,如引入匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速圆周运动和简谐运动等理想化的运动。基于这样的一个思维过程,人们就建立了物理模型,然后在一定条件下,用于处理某些实际问题。

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的分析。教学中,通过对物理模型的设计思想及分析思路的教学,能培养学生对较复杂的物理问题进行具体分析,区分主要因素和次要因素,抓住问题的本质特征,将复杂问题简单化、明了化,使抽象的物理问题更直观、具体、形象、鲜明,突出了事物间的主要矛盾。我总结多年教学过程中就加强物理模型教学,培养学生物理模型意识主要有以下三点:

1、建立概念模型,理解概念实质。

概念是客观事物的本质属性在人脑中的反映。要使它在人脑中有深刻的反映,必须将它与人脑中已有的事物联系起来,使其形象化、具体化。物理概念大都是以理想化模型为对象建立起来的,在中学物理中各部分遇到的模型主要有:力学中的质点、弹簧振子、单摆,电磁学中的点电荷,光学中的点光源、狭缝、薄膜,原子物理中的光子、自由电子等概念模型。加强概念教学是平时教学的基础和重点,如何通过概念教学让学生掌握一种把研究对象抽象成某种理想模型的研究方法。

例如:单摆就是理想化模型。摆球的质量要远远大于摆线的质量,摆线的形变可忽略,摆线的长度远大于摆球的直径,单摆的摆角小于10°时,其振动周期与摆球的质量无关,与摆线的长短有关。如何建立单摆这一理想模型,教学中首先展示伽利略观察油灯等时摆动的图片或动画,再现模型建立的思维过程。接着让学生对比观察如下一组演示实验:

1)两个摆长相同、振幅相同,但质量不同的单摆振动。

2)两个摆长相同、质量相同,但振幅不同(都小于10°)的单摆的振动。

3)两个质量相同但摆长不同的单摆的振动。

这一组演示实验可以激发学生的学习兴趣,形成对单摆这一理想化模型的初步认识。学生根据感觉常会认为:摆长相同时,较重的摆球应比较轻的摆球更快地回到平衡位置,振幅较小的摆球应比振幅较大的摆球更快地回到平衡位置,观察到的结果却出人意料,这是为什么呢?其次进行理论分析,深入理解概念模型:单摆振动的等时性,对单摆的摆线、摆角的要求是一种表现特征,这可以通过上面的实验观察到。然而要理解单摆运动的内在机理就非通过细致的理论分析不可。理论分析指出,摆球振动的回复力是摆球重力沿圆弧的切向分力,摆角很小时,F=-kx,其中k=mg/l,摆球作简谐振动。由此得出单摆振动周期公式,这一分析过程可指导学生自己完成。如此教学对单摆这一理想模型的建立就能理解其思维过程。

2 、将基础知识系统化,在此基础上形成物理模型,以物理模型为切入点进行物理教学。

例如:第六章《万有引力定律》后3,介绍万有引力定律在天文学及宇宙和星系演化方面的应用。这几节涉及的问题多、公式多,学生感到混乱。仔细分析,这部分知识可归结为两个物理模型。一是行星模型,其特点是有一中心天体M(可以是太阳,行星,地球,月亮),星体m(可以是行星,地球,月亮,或卫星)绕天体做圆周运动。其动力学特征是万有引力作向心力,运动学特征是做匀速圆周运动。由此可得  G(Mm/r2)=ma=mv2/r =mω2r=m(4π2r/T2)    因而可得到 a=GM/r2 1/r2

       

  等结论。二是球体模型,m在天体M表面随M一起运动。当忽略天体M自转时,万有引力等于重力,即G(Mm/r2)=mg,导出黄金代换,行星模型得出的结论在此处对m不适用。如周期T不与轨道半径r3/2 成正比,而与天体M的自转周期相等。建立这两个物理模型,引导学生掌握,这样学生就不再感到乱了。

3、加强典型题模型的建立,为解决复杂问题打下基础。

要提高分析和解决问题的能力,必须加强对典型、经典问题的处理方法的总结,建立典型题模型,明确典型题模型内在规律的联系。如:力学中的“一静一动的弹性碰撞模型”:在遵守动量守恒和动能守恒的前提下,在质量相等时,两物体的速度交换;“人船模型”:在合外力为零的条件下,两物体相反的动量始终相等。“超重与失重模型”:当系统或系统的部分物体有竖直方向的加速度时,整体在竖直方向受到的拉力或支持力与整体的重力不平衡。“滑块模型”:在系统的外力为零的条件下,系统内相互作用的摩擦力做功使系统动能减少即“Q=fs=E”的规律应用;“竖直平面内的圆周运动模型”,在最高点和最低点向心力的特点等等。加强对典型题模型的学习往往成为处理复杂的基础。在分析复杂的物理现象时,明析其规律后,就知道是那类问题的归类,使分析物理过程思路有一定指向。

在对概念模型的深刻理解,基础知识系统化,建立典型题模型后,学生就有了解决复杂问题的基础。有些问题比较复杂或生疏,若能将熟悉的物理模型迁移至新问题,对解决问题可起到事半功倍的效果。

例如:天空有近似等高的浓云层。为了测量云层的高度,在水平地面上与观测者的距离为d=3.0km处进行一次爆炸,观测者听到由空气直接传来的爆炸声和由云层反射来的爆炸声时间上相差Δt6.0s。试估算云层下表面的高度。已知空气中的声速v=13 km/s 

此题是2006年理综全国1高考题 ,必须通过认真审题理解本题的情景,明确爆炸声经云层反射时入射角等于反射角这一条件,建立物理模型,一旦理解错误,必然造成解题的失败。不少考生并没有画出声音传播的几何图,而两路声音在传播情况没有迁移光学反射时入射角等于反射角模型,因而在解题过程中容易出错。典型错误有:①将两路声音传播路径的全程当作半程来计算:②将AC+CBACCB作为云层的高度;③云层反射的声音看成是由A点竖直向上传播受到云层反射传到B,在这种情形中,还有一些考生在计算声音竖直向上传播是用了竖直上抛的公式。由于重视物理模型的分析,所教的学生很自然的通过类比联想将新情景问题转化为典型题模型,顺利的作了正确的解答。

所以说复杂物理问题以能力立意,而能力立意又常以问题立意为切入点,千变万化的物理命题都是根据一定的物理模型,结合某些物理关系,给出一定的条件,提出需要求的物理量的。而我们解题的过程,就是将题目隐含的物理模型还原,求结果的过程。培养学生运用物理模型解题的提高解决实际问题能力的基本程序:

1)通过审题,摄取题目信息.如:物理现象、物理情景、物理状态、物理过程等.

2)弄清题给信息的诸因素中什么是起主要因素.

3)在寻找与已有信息(某种知识、方法、模型)的相似、相近或联系,通过类比联想或抽象概括,或逻辑推理,或原型启发,建立起新的物理模型,将新情景问题“难题”转化为常规命题。

总之加强物理模型教学可以把复杂隐含的问题化繁为简、化难为易,起到事半功倍的效果,培养学生的模型意识,对学生的思维发展、解决实际问题能力的一种重要手段。只有经过不断训练学生的物理形象思维和抽象思维,建立正确物理模型,是提高学生解决实际问题能力的有效教学策略。

 



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