中学物理模型构建和转换能力的培养

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1、中学物理模型构建和转换能力的培养----中学教师论文-->在高中物理教学中注意引导学生对重要的知识点建立相应的物理模型，在他们遇到实际物理问题时，能迅速、准确地摄取相应的模型信息，顺利找到解题的思路。一、由物体的受力和初始运动状态的类似性构建物理模型有些物理题，物理情景看似相似，实则不同；而有些看似不同，实质相似。因此，在解物理题时，要养成先抓住题目的本质特征，然后运用相应的物理模型进行等效转换，建立物理方程。例1：如图1所示已知质量是0.99kg的物体M放在光滑圆弧轨道BC的最低点B，质量为m＝0.01kg的子弹以100m/s的速度水平击中物体A并留在其中，求物体从开始运动到返回B点所

2、用时间（圆弧的半径为39.2m）。转换分析：一个物体做什么形式的运动、遵循什么规律都是由物体的受力和初始运动状态决定的。因此，我们在解题时就可以根据其受力和初始运动状态构建相应的物理模型，再由其类似性物理模型进行等效转换。此例中的物理情景，我们能根据系统碰撞前后动量守恒求出物体获得速度V，物体获得速度后沿圆弧轨道作曲线运动，运动过程中物体受到重力和圆弧轨道对物体的支持力作用，如图2所示，由于物体所受的圆弧轨道的支持力始终与运动方向垂直，因此物体所受的合外力是变化的，即物体作变加速度的曲线运动，用常规的三种力学处理途径（如牛顿运动定律、动量关系和能量关系）都无法求解时间关系。仔细分析由于小

3、球在圆弧上运动时受重力和支持力作用与单摆（如图3所示）的受力和运动过程相类似，进一步分析可以证明出小球上升到最高点对应的圆心角小于5°，这样，可把物体在圆弧轨道上的运动等效地转换成单摆模型，巧妙地用单摆的周期公式求出t＝T/2＝2πs。掌握了一种模型（如单摆）的受力和初始运动状态的特征，就可以灵活运用这种模型进行转换。再例如摆球在水平或竖直方向的电场中的受力情况与单摆在重力场中的受力和运动情况十分类似，如图4所示，只是将重力改换为重力和电场力的合力，当摆角小于5°时，受到重力和电场力的合力沿圆弧切线方向并且指向平衡位置的分力作用下作简谐振动，于是就可以转换为类单摆的模型来研究。同样，带电

4、粒子以一定的初速度沿垂直于电场方向进入电场的运动，由于带电粒子所受的电场力的方向与初速度方向垂直，与只受重力作用以一定的水平速度抛出的物体的运动相类似，其运动规律与平抛运动模型相同，故被称之为类平抛运动，或抛体运动。二、抓住过程分析，把复杂问题转化为基本模型的组合一个复杂的问题都是由若干种简单的物理模型叠加而成的。因此我们可以根据其运动过程中的受力和初始运动状态的特点，对物理过程进行分析，用一种或几种简单的物理模型灵活地分解一种复杂的物理情景，化整为零，合理地进行物理模型转换。例2：（2000年全国高考第22题）：在原子核物理中，研究核子与核子关联的最有效途径是“双电荷交换反应”。这类反

5、应的前半部分过程和下述力学模型类似。两个小球A和B用轻质弹簧相连，在光滑的水平直轨道上处于静止状态。在它们左边有一垂直于轨道的固定挡板P，右边有一小球C沿轨道以速度v0射向B球，如图5所示。C与B发生碰撞并立即结成一个整体D。在它们继续向左运动的过程中，当弹簧长度变到最短时，长度突然被锁定，不再改变。然后，A球与挡板P发生碰撞，碰后A、D都静止不动，A与P接触而不粘连。过一段时间，突然解除锁定（锁定及解除均无机械能损失）。已知A、B、C三球的质量均为m。　（1）求弹簧长度刚被锁定后A球的速度。（2）求在A球离开挡板P之后的运动过程中，弹簧的最大弹性势能。转换分析：此题物理情景的描述本身就

6、运用了物理模型变换思想，即把原子核物理中“双电荷交换反应”变换成比较复杂的力学物理模型。在认真审题的基础上，明确题目涉及的物理过程，运用把复杂问题转化成简单物理模型的组合思维方法，从而建立相应的、清晰的物理模型，这是正确解题的基础。仔细分析此题的运动过程，我们可以把此题分解成以下几种物理模型：物理模型1：小球C与小球B发生完全非弹性碰撞获得共同速度，相当于子弹打木块，其规律是碰撞过程中动量守恒。物理模型2：物D与小球A发生弹性碰撞获得共同速度物理模型3：锁定解除相当于A和D压缩弹簧靠墙时突然放手，对物D与弹簧组机械能守恒。物理模型4：物D在弹簧的弹力作用下加速运动，当弹簧达到原长时弹性势

7、能全部转化为物D的动能，此过程中机械能守恒物理模型5：物D通过弹簧拉动小球A运动，当两球运动速度相同时弹簧的伸长量最大，弹性势能最大上述这5个物理模型是我们力学问题中比较典型的模型。对每一个模型的受力特点、动量关系、能量关系我们都能准确地写出，从而使很复杂的问题得到了简化。因此，在解题过程中只要抓住物理过程的分析，把一个复杂问题分解为若干个简单的子问题，找出它们之间的联系，就可以灵活运用物理知识综合解决所给问题，变换是关键。三、创设