浅析构建物理模型的重要性

发表时间:2017/7/11   来源:《中小学教育》2017年7月第283期   作者:邓英
[导读] 本文以初中“力学、电学”为例分析了构建物理模型在解决物理问题中的重要性。

——初中以“力学、电学”为例
邓 英 成都市铁中府河学校 四川 成都 610000
        摘 要:本文以初中“力学、电学”为例分析了构建物理模型在解决物理问题中的重要性,并把中学阶段的物理模型分为四类:实体模型、过程模型、理想化模型和结构模型。
        关键词:物理模型 综合分析能力 初中
一、构建物理模型有利于培养学生分析物理问题的综合性能力
        现在的物理教学更注重学生分析问题的综合性能力,命题方式不再是一个简单而直接的物理模型,而是将物理模型隐含在一个前沿科学研究、现代科学技术或实际生产生活情境中。学生面对这种问题往往不知从何入手,不能从复杂描述的实际问题中抽象成熟悉的物理问题,也就是物理模型构建能力的一种缺失。
究其原因,大多数学生面对实际问题时不能建立起相应的物理情境,更谈不上构建熟悉的物理模型来解决问题,这与教师在物理教学中没有重视学生物理模型构建能力的培养有关。然而,培养学生分析物理综合性能力的第一步就是构建物理模型。大学数物理问题都是通过物理情境呈现,而研究对象与物理模型密不可分,物理模型是从复杂的物理问题中突出主要问题,抓住问题的本质,而忽略次要因素或干扰因素。因此,构建物理模型是培养学生分析综合性问题以及解决实际问题的一种有效方法,同时能在一定程度上克服学生学习物理的畏难情绪。
二、物理模型的定义及分类
1.物理模型的定义
        物理模型是一个比较抽象的概念,笔者通过阅读大量文献认为:物理模型是通过对物理学现象及规律的分析,为了一个特定目标,根据物体所特有的内在规律性,吸取一切主要因素、忽略一切次要因素所得到的一个物理学研究内容的基本图像。这是对物理模型的一种较为深入的定义,简单地说物理模型就是提供一种解决物理问题的方法和思路,搜索头脑中的物理模型来帮助学者解决具体问题。
2.物理模型的分类
        大多数物理基本概念都是以各自的现实原型作为背景模型而抽象出来的。在初中物理所学内容范围内,根据研究对象情境的不同可把物理模型分为实体模型、过程模型、理想化模型和结构模型。
        例如:在初中力学综合考题中,当所研究的运动不涉及物体各部分间相对运动和物体转动时,通常把物体看作一个整体或一个点进行受力分析,这样有利于分析物体所受合力的情况及其运动情况,这种思考方式就是物理中典型的质点模型;在电学学习中,为了能正确描述带电体间的相互作用而忽略物体大小、形状所带来的影响引入了点电荷模型。把研究对象当作一个实体进行分析研究即为实体模型。
        另外,物理学中各种物理规律、物体运动过程的简化都可称为物理模型。例如:在初中电学综合考题中,几乎所有较为复杂的电路分析都可能简化为串联或并联电路,再利用串并联电路中电流、电压、电阻、电功率等规律就能把问题简单化;当物体做匀速直线运动时,即可根据牛顿第一定律认为物理所受合力为零。把电路的变化过程或物体的运动过程进行抽象而建立起来的物理模型称为过程模型。
        在研究物理运动规律时,物体所处环境因素必然对物体运动产生一定影响,这就要抓住主要环境因素,忽略次要环境因素。例如:当物体在地球表面上做落体运动时,只要物体运动过程中忽略空气阻力,则此运动遵循机械能守恒定理,而没有空气阻力就是一种理想化模型;物体在光滑水平面上运动时,往往忽略了摩擦力对物体运动的影响,而在实际情况中绝对光滑的水平面是不存在的,这也是一种理想化模型。
        物理学除了要研究物理现象和物理规律以外,还要研究物体的内部结构。当研究磁体之间的相互作用时,英国著名物理学家法拉第引入了磁场的概念,并且用磁感线模型有效地描述了磁场的空间分布,把难以理解的空间想象问题变得具体化、形象化;新西兰著名物理学家卢瑟福利用原子核式结构模型描述原子结构,该结构模型被评为“物理最美结构模型”之一,为原子结构的后续研究开创了新途径。这就是典型的结构模型在物理问题中的应用。
3.构建物理模型在分析力学综合性问题中的应用
        例如:如图所示装置中,轻质杠杆支点为O,物块A、B通过轻质细线悬于Q点。当柱形薄壁容器中没有液体时,物体C悬挂于E点,杠杆在水平位置平衡;当往容器中加入质量为m1的水时,为使杠杆在水平位置平衡,物块C应悬于F点。A、B为均匀实心正方体,A、B的边长均为a。连接A、B的细线长为b,B的下表面到容器底的距离也为b,柱形容器底面积为S。已知:a=b=2cm,S=16cm2,O、Q 两点间的距离为LOQ=4cm;三个物块的重为Ga=0.016N,GB=0.128N,GC=0.04N,m1=44g;ρ水=1.0×103kg/m3,g=10N/kg。杠杆重力对平衡的影响忽略不计,细线重力忽略不计,物块不吸水。


        (1)O、E两点间的距离LOE=?
        (2)E、F两点间的距离LEF=?
        (3)如果剪断物块A上方的细线,往容器中加水,直到容器中水的质量为m2=120g,则物块处于平衡位置后,水对物块B上表面的压力Fb=?
        解析:这是一个与初中力学知识有关的综合性较强的问题,从题意可知,本题主要考点为杠杆平衡条件和浮力的计算,同学们只需根据杠杆平衡条件和浮力的计算方法去题目中搜寻已知条件即可。由此可见,熟悉考点对应的过程模型使解题思路立刻清晰。本题的难点在于大多数已知条件都不是题目直接给出,需同学们对题目的有用信息进行挖掘,分析物理情境,实现物理模型的转换。题干中A、B两物体通过轻质细绳连接,很显然需把这两个物体看作整体研究对象,再对其进行受力分析,这就是实体模型在此题中的体现。此外,题中特别强调:杠杆重力对平衡的影响忽略不计,细线重力忽略不计,物块不吸水。这就促使同学们利用理想化模型来排除次要因素的干扰。如果题目再补充一句“细线长度不可伸缩”,则本题更加严谨。
        具体求解思路及过程:
        求解思路:
        (1)根据杠杆的平衡条件:F1L1=F2L2,即可求出力臂LOE。
        (2)根据加入的水的体积与B物体下面的空余体积的大小关系,求出B物体进入水的深度,继而求出B物体受到的浮力;根据受力平衡求出对杠杆的作用力,利用杠杆的平衡条件求出动力臂OF的长度,与OE的长度相比较即可求出EF。
        (3)首先根据物体的浮沉条件判断出物体A、B最后所处漂浮状态,根据漂浮条件求出物体A浸没的深度hA,即可根据图示求出物块B上表面所处的深度,最后利用p=ρgh和F=pS求出压力Fb。
求解过程:
        解:(1)当柱形薄壁容器中没有液体时,物体C悬挂于E点,杠杆在水平位置平衡。由图知,O为支点,Q为阻力作用点,F2=GA+GB=0.016N+0.128N=0.144N,QO为阻力臂;动力F1=GC=0.04N,OE为动力臂。根据杠杆的平衡条件可得:F2LQO=F1LOE,所以,LOE= F2LQO/F1=0.144N×4cm/0.04N=14.4cm。
        (2)当往容器中加入质量为m1的水时,由ρ=m/v可知加入的水的体积为V水=m1/ρ水=44g/(1g/cm3)=44cm3。由于B物体下面的空余体积为V空余=Sb=16cm2×2cm=32cm3,A、B物体的底面积SA=SB=(2cm)2=4cm2=4×10-4m2,则B物体进入水的深度为hB=(V水-V空余)/(S-SB)= (44cm3-32cm3)/(16cm2-4cm2) =1cm;则B物体受到的浮力FB浮=ρ水gVB排=ρ水gSBhB=1×103kg/m3×10N/kg×4×10-4m2×0.01m=0.04N;所以此时对杠杆的拉力为F2′=GA+GB-FB浮=0.016N+0.128N-0.04N=0.104N。根据杠杆的平衡条件可得:F2′LQO=F1LOF,所以LOF=F2′LQO/ F1=0.104N×4cm/0.04N =10.4cm;则LEF=LOE-LOF=14.4cm-10.4cm=4cm。
        (3)剪断物块A上方的细线,往容器中加水,直到容器中水的质量为m2=120g时,假设AB物体都浸没,则F浮A=F浮B=ρ水gVB=1×103kg/m3×10N/kg×(0.02m)3=0.08N,则F浮A+F浮B=0.08N+0.08N=0.16N>GA+GB=0.144N;所以A、B物体是整体,处于漂浮状态。由于F浮B=0.08N<GB=0.144N,所以最后的状态是A部分体积露出水面,且A、B处于漂浮,则F浮总=GA+GB=0.016N+0.128N=0.144N,由F浮=ρ水gV排可得:V排总=F浮/ρ水g=0.144N/(1.0×103kg/m3×10N/kg)=1.44×10-5m3,所以,VA浸=V排总-VB=1.44×10-5m3-(0.02m)3=6.4×10-6m3,则物体A浸入水的深度hA=VA浸/SA =6.4×10-6m3/4×10-4m2=0.016m=1.6cm。由图可知此时物块B上表面所处的深度h′=hA+a=1.6cm+2cm=3.6cm=0.036m,p′=ρ水gh′=1×103kg/m3×10N/kg×0.036m=360Pa,F′=p′SB=360Pa×4×10-4m2=0.144N。
4.构建物理模型在分析电学综合性问题中的应用
        电学综合问题一般涉及动态电路分析,而动态电路分析一般分为两类:滑动变阻器类和开关断开闭合类。初中阶段不管是哪一类动态电路分析,其最终目的是把电路在不同状态下等效为串联电路和并联电路,再结合串并联电路特点、电学公式定律以及题干中所提供的已知条件来解决问题。这样的解题思路实则为过程模型的构建,构建完整的过程模型不仅有助于理清解题思路,还有利于培养严谨的逻辑思维能力。串并联电路特点的应用也是有关串并联电路结构模型的构建,大多数复杂电路均由简单的串并联基础电路结构模型组合而成。由此可见,此类综合电学问题的解题过程与构建的物理模型息息相关。
三、小结
        初中物理教学内容虽然侧重于物理知识入门学习,所涉及到的物理知识相对简单,但物理模型法作为一种基本而重要的思维方法也贯穿于整个教学内容。教师在日常教学中应重视培养学生构建物理模型的能力,有意识地让学生通过分析实际物理现象,形成物理情境,利用物理模型法解决实际问题。学生对物理问题的分析和解答变得更加有信心,对物理概念和物理规律的理解也更加深入,从而形成了一种综合分析物理问题的能力。
参考文献
[1]刘苏文 建立物理情境和物理模型在物理教学中的重要性[J].教学园地,2009,(22)。
[2]称悦康 从“物理情境”的转换谈培养学生分析综合能力[J].物理教学探讨,2011,(11)。
[3]刘海 高中物理模型构建教学的理论与实践研究[D].东北师范大学,2008,(5)。

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