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高中物理教育论文 构建物理模型,突破高中物理难题

2018-12-17 10:02:36来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘要:随着新课改的不断深化,高中物理学科检测越来越注重学生运用能力的考查,“物理难学、物理课难上”是高中学生和教师面临的困境,本文针对于高中物理教学中的难点,从物理建模意识、建模障碍和运用模型解决实际问题三个角度进行思考与阐述,以供读者参考。

  关键词:物理问题;物理模型;模型构建;解题能力

  物理是高中课程教学的重要科目,在高考考查中占有一席之地,对于多数高中学生而言,物理难学已经形成共识,不少学生陷入“一听就懂、一做就错”的怪圈;实际上,从初中至高中,物理学科已经由形象思维向抽象思维发展,出现了质的飞跃;实践表明,物理模型是高中物理教学中的重要对象,具有高度的抽象性和概括性特征;本文以高中物理教学为探究载体,重点探讨培养学生构建物理模型的能力以及如何运用物理模型解决实际问题,旨在抛砖引玉,希望能引起教育同仁的共鸣与反思。

  1创设合理的生活情境,培养学生构建基本物理模型的意识

  在物理课堂教学中,物理知识的来源是课堂教学的重要内容,物理教师可以创设“原生态”情境,让学生明白物理模型源于生活,弄清楚构建物理模型的条件与过程,促进学生运用模型解决问题的意识。

  例如,在讲授“分子间作用力”的特点时,学生对分子间“引力和斥力同时存在”这一特点难以理解。于是可以创设一种模型以便帮助学生理解。如用两块条形磁铁,外用泡沫塑料球起包来代表分子,中间连以轻质弹簧,串联在一根的金属杆上,磁铁的引力表示分子引力,弹簧产生的推力表示分子间斥力。拉伸时,磁铁间引力比弹簧产生的推力大,总体合力表现为引力,就好像分子间距离增大时分子间引力和斥力的合力表现为吸引力;压缩时,弹簧的推力增大,就好像压缩时分子间斥力增大;当不加外力时,磁体间引力与弹簧产生的推力平衡,就好象分子处于平衡位置时引力和斥力相等。利用这一模型可以形象地说明了分子间作用力引力和斥力同时存在,并且还能说明分子力随分子间距离变化而变化的特点。使学生一看就明白,容易记忆,更容易理解。物理教师借助于弹簧这一模型,可以巧妙地突破了“引力和斥力同时存在”这一难点。引导学生进行观察物理现象,总结实验结论,探索物理模型构建的基本要求与过程,培养学生从具体问题中抽象、概括、构建熟悉物理模型,进而解决物理问题[3]。当然,建模意识并非一朝一夕能够完成,需要我们一线教师在平时教学不断地引导与启发,将物理建模的意识贯穿于高中物理课堂教学的始终,让这种物理建模意识成为学生思考物理问题的方法与习惯。

  2 类化与移植物理模型,帮助学生在思维上克服建模的障碍

  物理是一门自然科学,与科学技术和生活实际有着密切的联系;在物理教学过程中,我们发现部分学生对于基本物理模型的认识和简单应用可以说是“游刃有余”,但是对于实用性较强的实际问题却感到“无能为力”,主要缘故是建模过程中形成的思维障碍。而中学生在学习物理过程中主要存在的思维障碍有:先入为主的生活观念导致的思维障碍、相近的物理概念、物理规律混淆导致的思维障碍、概念的内涵和外延模糊导致的思维障碍、思维定势的干扰导致的思维障碍等。这就需要进行物理模型的类化与移植,物理教师可以借助于实践建模案例,让学生在应用性认知冲突中不断提升应用物理模型的能力,进而帮助学生在思维上克服构建物理模型的思维障碍。

  对于物理物理模型的内化与移植可以分为两类,一类是相似模型的内化与移植,另一类是相异模型的内化与移植。

  2.1相似模型的内化与移植

  对于与原有模型相近的物理规律或相似的物理现象,可以根据相似的物理规律或物理现象,找到彼此之间的相互联系,探究其本质上的联系与统一,把需要解决的问题纳入已有的物理模型中,利用此模型规律或方法解决问题。

  例如,在学习“平抛运动”知识后,学生比较熟悉平抛运动模型是由水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动合成,具有独立性和等时性;但是在处理“测定气体分子速率、子弹速率”(如图1所示)等问题时,错误率极高,主要是学生不能辨析此类问题中两个分运动的等时性、独立性和周期性;这类问题与平抛运动模型存在一定的差异,物理教师在教学中可以从具有模型相近的物理规律的角度进行模型的类化与移植,从而构建圆周运动中进行测速的物理模型,促进基本物理模型的巩固与提升。

  2.2相异模型的内化与移植

  不同属性或不同要素的物理现象常常是具有明显的关联的,有质的差异的物理问题却在处理方法上往往具有同一规律,这就提供了实现内化和移植的依据和可能[5]。

  O

  M

  S′

  图2

  S

  30°

  S′

  图2

  S

  30°

  例如,如图2所示,S为一点光源,A为一平面镜,光屏与平面镜平行放置.SO是垂直照射在M上的光线,已知SO=L,若M以角速度ω绕O点逆时针匀速转动,则转过30°角时,光点S′在屏上移动的瞬时速度v为多大?

  正确解答:由几何光学知识可知:当平面镜绕O逆时针转过30°时,则:∠SOS′=60°,OS′=L/cos60°.

  选取光点S′为连结点,因为光点 S′在屏上,该点运动方向不变,故该点实际速度(合速度)就是在光屏上移动速度v;光点S′又在反射光线OS′上,它参与沿光线OS′的运动.速度v1和绕O点转动,线速度v2;因此将这个合速度沿光线OS′及垂直于光线OS′的两个方向分解,由速度矢量分解图2-1可得:

  v1

  v2

  v

  图2-1

  60°

  v1=vsin60°,v2=vcos60°

  又由圆周运动知识可得:当线OS′绕O转动角速度为2ω.

  则:v2=2ωL/cos60°

  vcos60°=2ωL/cos60°,v=8ωL.

  v1

  v2

  v

  图2-2

  辨与析:虽然这是个光学问题,但跟力学中的“拉船模型”非常相似。可将“拉船模型”的解题方法移植到这类问题中,解决此类光学问题。当平面镜M转动时,S′相当于船,它的速度可分解为v1和v2(图2-2)。

  v2=2ω. OS′=2ω.2L=4ωL,所以v= v2/cos60°=8ωL

  3构造合理的物理模型,强化运用模型解决实际问题的能力

  对高考试题的研究是中学教师关注的焦点,在高考试题中经常出现一些新的情景题型,解决这些问题需要运用已学的物理知识和规律,构建新的物理模型解决问题,这就需要学生具备灵活运用所学物理模型的能力,在新情景中抽象、概括、构建新物理模型的能力。

  例如, 带电粒子在电场中运动问题是课程学习的重点和难点,对于这类问题可以构建“几何光学”新模型进行处理,题目如下:

  图3

  图3-1

  案例:如图3所示,电极板A和B长为L1两板相距d,且接有高频正弦交变电流(周期为T、电压最大值为U0),电子速以初速v0由左侧从两极板中轴线OO′水平射入,在距离右侧极板L2处存在竖直宽度为d的挡板CD,在距离挡板右侧L3处存在竖直光屏PQ,试求:电子速击中光屏的范围?

  辨析:根据所学知识可知,带电粒子沿着中轴线垂直进入偏转电场,射出电场时速度反向延长线与中轴线的中点相交于S点,等效于带电粒子从S处直线射出,结合临界条件,可以构造如图3-1所示的几何光学模型进行处理,即在光屏PQ上阴影部分为击中光屏的范围。

  4 结论

  总而言之,利用物理模型进行教学,能够有效疏通学生处理问题的思路,帮助学生创设清晰直观的物理情景,有助于将复杂物理问题“化繁为简、化难为易”;作为高中物理教师在平时教学实践中,应该注重以物理模型构建为着手点,搭建合适的平台,引导学生在实践中活用物理模型,不断提升学生辨析模型、运用模型的能力,实现从“会一题到会一类题”的过渡,帮助学生跳出“题海战术”的怪圈,突破“物理难学”的重围,进而提升学生的创新思维能力,解决问题的综合能力,促进学生物理核心素养的形成。

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