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建模思想在中學(xué)物理教學(xué)中的滲透

2011-12-31 00:00:00明建麗
知識窗·教師版 2011年8期


  學(xué)生要想學(xué)好物理,關(guān)鍵是學(xué)習(xí)物理思想和物理方法。所謂物理思想和物理方法,是指在處理物理問題中所用到的具有條理性、抽象性、解析性、技巧性的思維方法與技巧。條理性表現(xiàn)為嚴(yán)謹(jǐn)和規(guī)范;抽象性表現(xiàn)為提升和精煉思維;解析性表現(xiàn)為啟發(fā)和解釋問題;技巧性表現(xiàn)為簡化和方便的作用。物理中每一個概念、規(guī)律的建立和發(fā)現(xiàn),都包含了許多科學(xué)思維的應(yīng)用和科學(xué)精神的體現(xiàn),如外推法、等效法、對稱法、理想法、假設(shè)法、逆向思維法、類比和遷移法等。
  構(gòu)建模型是科學(xué)研究的基本思想方法之一,物理模型是以實物或畫圖的形式,直觀地表達認(rèn)識對象的特征。中學(xué)物理模型一般可分對象模型、過程模型、方法模型。
  一、對象模型
  模型是對實際問題的抽象,每一個模型的建立都有一定的條件和使用范圍。對象模型包括力學(xué)中的質(zhì)點、輕質(zhì)彈簧、彈性小球等;電磁學(xué)中的點電荷、平行板電容器、密繞螺線管等;氣體性質(zhì)中的理想氣體;光學(xué)中的薄透鏡、均勻介質(zhì)等??臻g場物質(zhì)模型有勻強電場、勻強磁場等。學(xué)生在學(xué)習(xí)和應(yīng)用模型解決問題時,要弄清模型的使用條件,根據(jù)實際情況加以運用。
  比如一列火車的運行能否看成質(zhì)點,要根據(jù)質(zhì)點的概念和所研究火車運動的情況而定。在研究火車過橋所需時間時,火車的長度相對于橋長來說,一般不能忽略,所以不能看成質(zhì)點;在研究火車從北京到上海所需的時間時,火車的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于北京到上海的距離,可忽略不記,因此火車就可以看成質(zhì)點。再比如應(yīng)用庫倫定律解題時,一定要注意兩個物體是否可以看作點電荷。如“當(dāng)真空中的兩個點電荷間的距離r→0時,它們之間的靜電力F→∞”這句話是不正確的。
  二、過程模型
  在研究質(zhì)點運動時,如勻速直線運動、勻變速直線運動(自由落體運動模型)、勻速圓周運動(帶電粒子只有勻強磁場作用時的運動模型,研究天體運動時一般把天體運動看作勻速圓周運動)、勻變速曲線運動(平拋運動模型)、簡諧運動(單擺模型和彈簧振子模型)等;還有一些物理量的均勻變化的過程,如某勻強磁場的磁感應(yīng)強度均勻減小、均勻增加等;非均勻變化的過程。再如講解回旋加速器的原理時,筆者是這樣引入的:如何給一個粒子加速?學(xué)生想到圖1。在電壓值有限時如何將粒子加到盡量大的速度?學(xué)生想到圖2。
  如果空間不允許你應(yīng)如何想辦法來節(jié)省空間?學(xué)生想到讓粒子回旋。此時給出回旋加速器的原理如下圖,D1和D2是兩個中空半徑為R的半圓金屬盒,它們接在電壓一定、頻率為f的交流電源上,位于D1圓心處的質(zhì)子源A能不斷產(chǎn)生質(zhì)子(初速度可以忽略,重力不計),它們在兩盒之間被電場加速,D1、D2置于與盒面垂直的磁感應(yīng)強度為5gNimo9hhz+RCoeFAxZMLg==B的勻強磁場中。學(xué)生不難看出此模型中有兩個運動過程模型——勻加速直線運動和勻速圓周運動。
  三、方法模型
  1.對稱法
  它是利用物理學(xué)中存在的各種對稱關(guān)系分析問題和處理問題的方法。如靜力學(xué)中所研究的對象有些具有對稱性,模型的對稱往往反映出物體或系統(tǒng)受力的對稱性。
  2.正弦定理法
  當(dāng)三力平衡時,三個力可構(gòu)成一個封閉的三角形,若由題設(shè)條件尋找到角度關(guān)系,則可用正弦定理列式求解。
  3.相似三角形法
  利用力的三角形和線段三角形相似的方法。在解答物體受三個力的動態(tài)平衡之類問題時,用相似三角形法可以使問題變得非常簡單。
  4.圖像法
  如測定電源電動勢和內(nèi)阻數(shù)據(jù)處理,學(xué)生首先想到的肯定是列方程組解出E和r,通過實際演練、小組交流、討論,發(fā)現(xiàn)作U-I圖像處理數(shù)據(jù)要更簡單、準(zhǔn)確。
  5.等效交換法
  它是指人們在解決問題的過程中,從事物間等同效果出發(fā),找出其共性特征,用熟悉簡單的模型,對研究的對象、過程等進行轉(zhuǎn)換、替代處理的一種方法。例如由合力與分力的關(guān)系在分析力的作用效果時,可以將研究幾個分力的作用轉(zhuǎn)換為研究合力的作用效果,根據(jù)牛頓第三定律在求某個作用力時可以先求其反作用力。
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