物理专题讲座之六 物理模型的构建

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1、物理解题中的科学思维方法---构建物理模型法1．命题趋势物理应用能力是“理综能力”考察的核心。物理应用能力的考察本质是对实际问题分析、还原和构建物理模型能力的考察，解题的过程实质上就是对实际问题分析、还原和构建物理模型的过程。平常所说解题时应“明确物理过程、在头脑中建立一幅清晰的物理图景”，其实指的就是要正确地还原和构建物理模型。因为考生构建模型的情况，能真实地反映他的理解能力、分析综合能力、获取知识的能力等多种能力。2．知识概要互相关联的物理状态和物理过程构成了物理问题，解决物理问题的一般方法可归纳为以下几个环节：审视物理情景构建物理模型转化为

2、数学问题还原为物理结论在这几个环节中，根据问题的情景构建出物理模型是最关键的、也是较困难的环节。由问题情景转化出来的所谓“物理模型”，实际上就是由理想的对象参与的理想的过程。如质点的自由落体运动、质点的匀速圆周运动、单摆的简谐运动、点电荷在匀强电场中的运动、串并联电路等等。这种物理模型一般由更原始的物理模型构成。原始的物理模型可分为如下两类：对象模型（质点、轻杆、轻绳、弹簧振子、单摆、理想气体、点电荷、理想电表、理想变压器、匀强电场、匀强磁场、点光源、光线、原子模型等）过程模型（匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速圆周运动、平抛运动、简谐运动、简谐波、

3、弹性碰撞、自由落体运动、竖直上抛运动等）物理模型所谓“建模”就是将带有实际色彩的物理对象或物理过程通过抽象、理想化、简化和类比等方法转化成理想的物理模型。正确构建物理模型应注意以下几点：（1）养成根据物理概念和物理规律分析问题的思维习惯。结合题目描述的现象、给出的条件，确定问题的性质；同时抓住现象的特征寻找因果关系。这样能为物理模型的构建打下基础。（2）理想化方法是构建物理模型的重要方法，理想化方法的本质是抓住主要矛盾，近似的处理实际问题。因此在分析问题时要养成比较、取舍的习惯。（3）要透彻掌握典型物理模型的本质特征、不断积累典型模型，并灵活运用他们

4、。如研究碰撞时，总结出弹性碰撞和完全非弹性碰撞两个模型，但后来发现一些作用时间较长的非碰撞类问题，也有相同的数学形式，这就可以把这些问题也纳入到这两个模型中去，直接应用这两个模型的结论。在粒子散射实验中，粒子与重金属原子核的作用是非接触性的静电力作用，由于动能守恒也可纳入弹性碰撞模型。3.点拨解疑【例题1】两块大小不同的圆形薄板（厚度不计），质量分别为M和m（M=2m），半径分别为R和r，两板之间用一根长L=0.4m的轻质绳连结，开始时，两板水平叠放在支架C上方高h=0.2m处（如图a所示），以后，两板一起自由下落，支架上有一个半径Rˊ（r

5、）的圆孔，两板中心与圆孔中心在同一直线上，大圆板碰到支架后跳起，机械能无损失，小圆板穿过圆周运动孔，两板分离，试求当细绳绷紧的瞬间两板的速度（如图b所示），取g=10m/s2。解析：本题的整体过程可分以下几个阶段；（1）板自由下落过程（此时两板作为一个整体可抽象为一个质点模型），到两板落至支架C时的速度为：（2）大圆板与支架相碰，且无机械能损失（此过程还原为弹性碰撞模型），然后小圆板继续下落；10大圆板与支架C碰后以v0为初速度竖直跳起，设至细绳绷紧前历时t1，绷紧前的速度为v1，上跳高度（离支架C的高度）为h1，则：v1=v0-gt1(1)v12=

6、v02-2gt1(2)小圆板穿过圆孔时的速度为v0，设落至细绳绷紧前历时t2，速度为v2，下落高度（离支架的高度）为h2，则：v2=v0-gt2(3)v22=v02-2gt2(4)因t1=t2,h1+h2=L=0.4m,故（1）（3）两式相加得：v1+v2=2v0=4m/s（5）由（4）（2）两工相减得：v22-v12=2gL=2×10×0.4=8(m/s)（6）联立（5）、（6）两式得细绳绷紧前两板速度大小分别为v1=1m/s，v2=3m/s。它们的速度方向相反，v1向上，v2向下。（3）细绳绷紧瞬间，两板通过绳的相互作用获得共同速度（此过程还原为

7、完全非弹性碰撞）。由于细绳绷紧时间极短，重力的冲量可忽略，故绷紧过程中系统动量守恒，设两板共同速度为u，取竖直向下为正方向，由mv2-Mv1=(m+M)u得：即该瞬间两板获得向下的共同速度为本题涉及复杂情境，给人以无从下手的感觉。其实只要根据时或空间顺序分清运动过程，以及这些过程中涉及哪些规律。这样将复杂情境的问题还原成了熟悉的典型运动问题，复杂问题就会迎刃而解。【例题2】（1999年高考全国卷）一跳水运动员从离水面10m高的平台上向上跃起,举双臂直体离开台面，此时其重心位于从手到脚全长的中点，跃起后重心升高0.45m达到最高点，落水时身体竖直，手先

8、入水（在此过程中运动员水平方向的运动忽略不计）从离开跳台到手触水面，他可用于完成空中动作的时间是______