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高中物理建模策略与案例分析

时间:2022-11-24 19:40:07 公文范文 来源:网友投稿

zoޛ)j首学习物理的第一课就涉及到一个物理模型——质点,随着学习的深入,越来越多地发现建模与物理学习密不可分.那么,高中物理建模有什么策略呢?本文就该话题结合教学实践谈几点笔者的看法,望能有助于教学实践.

1 高中物理模型的分类

纵观整个高中物理教材,涉及到哪些物理模型呢?笔者从事物的客观存在性、条件、物理过程进行分类,将物理模型分为如下几类.

(1)客观物体模型

在高中物理规律探究和应用的过程中,有些物体是客观存在的,不过在分析时忽略其次要因素,通过简化或抽象建立起来的理想化模型.

例如,力学中的质点;电磁学中的点电荷;热学中的理想气体;光学中的点光源等等.

(2)条件模型

高中物理研究的问题往往是从现实生活中抽象过来的,实际上这些问题往往会受到条件的制约,为了研究的方便,抓住问题的决定性条件,而建立起来的条件模型.

例如,力学中的光滑斜面、光滑水平面、轻质细绳、轻质杆;电磁学中的稳压电源、匀强电场、匀强磁场;热学中的绝热容器等等.

(3)过程模型

高中阶段研究的运动或是物理变化过程往往也是抽象的、理想化的模型.

例如,力学中的自由落体运动,平抛运动(抛体运动),这些运动过程都有一定的抽象,首先研究的客体要抽象为质点模型,同时对于条件也进行了抽象,整个运动过程忽略一切阻力.

2 高中物理建模的方法

建模是研究高中物理问题的一种重要方法,那么建模有没有方法呢?细致地分析高中物理教学中涉及到的模型,其建构方法大致可以分为如下几种:

2.1 抽象法

该方法是建模过程中最常用的方法.在运用抽象法进行建模时,首先科学分析事物的各个方面,分析其具有哪些属性,再分析其对研究问题的主、次影响,为取舍奠定基础,在此基础上从研究目的和需要出发,科学取舍抽象出核心属性.

例如,在研究电学实验的一些问题时,电路中的导线到底要不要算电阻呢?此时,从导线在实验中的作用来看,主要是导电性能,所以在研究问题的过程中我们忽略了其导热性能以及其他的物理属性,将导线抽象为了理想导体.而在研究远距离输电问题时,则由于输电线非常长,相对于用电户而言,其电阻阻值无法忽略,所以我们不能视其阻值为零,此时我们如何处理呢?将其简化为阻值均匀分布的导体.

2.2 类比法

科学家在建立模型时,常常使用类比法,这种方法往往用于研究未知模型,而从现象出发进行推测将其他模型与之相类比,构建模型.

例如,选修3-5中的核式模型,就是卢瑟福将原子结构与行星的运动相类比,建立起来的原子结构模型.再例如,物质波的概念和实物的波动理论的建立,就是建立在对光的粒子性、波动性的类比后的推测,德布罗意将微观粒子与光进行类比,既然都具有粒子性,那么微观粒子是否也具有波动性,具有波粒二象性呢?

2.3 理想法

构建物理模型是对研究的物理对象或现象进行抽象、理想化的过程,理想法是建模的重要方法.

通常包括对象、条件、过程、实验的理想化.如质点、点电荷、理想弹簧、轻质杆等等都属于对象的理想化;光滑、绝热属于条件的理想化;匀速圆周运动、平抛、等压变化等等都属于过程的理想化;实验的理想化则包括实验条件的理想化(如伽利略理想斜面实验)和实验器材的理想化(理想电表等等).

2.4 等效替代法

(1)过程的等效替代

如,实际运动如图1(1)所示,从P点沿水平方向向竖直光滑墙壁抛出一个小球,球与墙壁之间是弹性碰撞(不计机械能损失),已知抛出点距离地面高度为h,距离墙壁的水平距离为s,落地点距离墙壁的水平距离为2s,这个过程是学生所不熟悉的情境,怎么办呢?这个过程可以等效处理为如图1(2)所示的平抛运动进行处理.

(2)效果的等效替代

如,力的合成与分解,合力与分力在效果上来看,其实质上就是等效替代的关系.几个力的合力或某一个力的分力,其实是从效果相同的角度建立起来的物理模型.

(3)结构的等效替代

如,电学中求最大功率的问题和实验误差分析,均可以从结构上进行等效替代.

等效1:如图2所示,定值电阻R1与滑动变阻器R2串联接在电源两端,电源电动势为E,内阻为r,求滑动变阻器R2的阻值为多大时,其消耗的电功率最大?

对于这个问题学生的认知基础在哪里——电源的最大输出功率,为此我们在引导学生解决问题时,可以将图2中的定值电阻R1与电源整体等效为新的电源,整个电路结构等效为如图3所示的电路.

等效2:电学实验部分测电源的电动势及其内阻是高中阶段重要的实验,其中误差分析,真实值和测量值之间的关系,学生容易混淆,有没有好的办法帮助学生理解概念呢?可以从结构上利用等效法进行建模.

该实验的电路图最基本的有如图4所示的(a)、(b)两种.

将电压表和电流表视作为可以反映自身电压和电流的特殊电阻,再与实际电源进行串、并等效得到新的电源E′、r′(图5(a)、(b)),考虑实验测量值实际上是等效电源的电动势和内阻,从而得到测量值与真实值的关系.

当然,我们在高中物理课堂教学过程中引导学生建模必须注意模型与实际物体的区别,必须注意实际情况和理想条件的

区别,究竟用什么模型来代替实际物体,决不可以它们的外形特征或某些表面因素为依据,必须结合所研究问题实际的需要,根据不同的需要抽象成为不同的理想模型,同时要让学生明确理想模型和实际物体是两回事,前者是科学抽象,后者是客观存在,前者是简单的,后者是复杂的,同时在抽象为物理模型的过程中,必须确保模型与原形特征的一致性,当然,一物可以有多种模型,解决问题时要反复比较抽象模型与问题中原型特征符合的程度,然后确定究竟选何种模型解决问题.

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