高中物理内容多、难度大, 各部分知识联系密切, 教学内容上更多地涉及到数学知识, 物理规律的数学表达式增多加深, 学生普遍感觉不适应。若不采取措施加以解决, 长此以往, 造成的严重后果是:认知上学生感到物理深奥难懂, 心理上学生惧怕物理学习, 从而在行动上影响学生物理学习进程。
高中物理教学过程中大多数的研究对象是一些物理模型, 这些物理模型既原于实践又高于实践, 带有普遍的共性特征, 具有一定的抽象概括性。构建理想的物理模型, 可以为解决现实物理问题提供不可或缺的依据。教学中要求学生牢固把握住一些基本的物理模型, 让具体的物理模型承载抽象的数学问题, 可以培养学生应用数学知识表达物理问题的能力。因此, 物理模型既可以装物理知识又可以装数学知识;既是巩固基础知识的平台, 也是发展能力的跳板。实施“模型教学法”只要施教得法引导得当, 可以达到触类旁通举一反三之功效, 是提高物理学习效果的有效途径之一。
高中物理模型建立的重要途径是物理习题讲解, 讲解时要把重点放在物理过程的分析上, 把物理过程图景化, 形成清楚的物理过程。作物理示意图是将抽象变形象、抽象变具体, 是建立物理模型的重要手段。可以说, 一道好的习题就是一个好的物理模型。教学中实施“模型教学法”, 以物理模型为依托, 以提高能力为目的, 可以帮助学生闯过难关, 为顺利学好高中物理奠定扎实的基础。
高中物理模型有很多, 笔者以高中力学部分两个物理模为例谈谈如何进行模型教学。
1 追碰模型——研究运动规律的载体
原题呈现:火车甲正以速度v1向前行驶, 司机突然发现前方距甲d处有火车乙正以较小速度v2同向匀速行驶, 于是他立即刹车, 使火车做匀减速运动而停下。为了使两车不相撞, 加速度a应满足什么条件?
解析:设以火车乙为参照物, 则甲相对乙做初速为 (v1-v2) 、加速度为a的匀减速运动。若甲相对乙的速度为零时两车不相撞, 则此后就不会相撞。因此, 不相撞的临界条件是:甲车减速到与乙车车速相同时, 甲相对乙的位移为d。
即:0- (v1-v2) 2=-2ad, , 故不相撞的条件为 。
共性总结:追及、相遇问题特点:讨论追及、相遇的问题, 其实质就是分析讨论两物体在相同时间内能否到达相同的空间位置问题。一定要抓住两个关系:即时间关系和位移关系。一个条件:即两者速度相等, 它往往是物体间能否追上、追不上或 (两者) 距离最大、最小的临界条件, 也是分析判断的切入点。两类主要问题:
(1) 匀减速运动的物体追同向匀速运动物体。
若二者速度相等时, 追赶者仍没有追上被追赶者, 则追赶者永远追不上被追赶者, 此时二者有最小距离;若二者相遇时, 追赶者的速度等于被追赶者的速度, 则刚好追上, 也是二者避免碰撞的临界条件;若二者相遇时, 追赶者的速度仍大于被追赶者的速度, 则还有一次被被追赶者追上追赶者的机会, 其间速度相等时二者的距离有一个最大值。
(2) 初速度为零的匀加速运动的物体追同向匀速运动的物体。
只要时间足够长, 追赶者一定能追上被追赶者发生碰撞。当二者速度相等时有最大距离。若位移相等即追上 (同一地点出发) 。
拓展应用:在一条平直的公路上, 乙车以10m/s的速度匀速行驶, 甲车在乙车的后面作初速度为15m/s, 加速度大小为0.5m/s2的匀减速运动, 则两车初始距离L满足什么条件时可以使: (1) 两车不相遇; (2) 两车只相遇一次; (3) 两车能相遇两次 (设两车相遇时互不影响各自的运动) 。
答案:设两车速度相等经历的时间为t, 则甲车恰能追及乙车时, 应有:
若L>25m, 则两车等速时也未追及, 以后间距会逐渐增大, 及两车不相遇。
若L=25m, 则两车等速时恰好追及, 两车只相遇一次, 以后间距会逐渐增大。
若L<25m, 则两车等速时, 甲车已运动至乙车前面, 以后还能再次相遇, 即能相遇次。
2 挂件模型——解决静力平衡问题的平台
原题呈现:物体A质量为m=2kg, 用两根轻绳B、C连接到竖直墙上, 在物体A上加一恒力F, 若图1中力F、轻绳AB与水平线夹角均为θ=60°, 要使两绳都能绷直, 求恒力F的大小。
解析:要使两绳都能绷直, 必须F1≥0, F2≥0, 再利用正交分解法作数学讨论。做出A的受力分析图, 由正交分解法的平衡条件:
解得:
两绳都绷直, 必须F1≥0, F2≥0
由以上解得F有最大值Fmax=23.1N, 解得F有最小值Fmin=116.N, 所以F的取值为11.6N≤F≤23.1N。
共性总结:
(1) 物体受到三个共点力的作用, 且两力垂直, 物体处于平衡状态 (静止或匀速直线运动状态) 。
(2) 条件是:物体所受到的合外力为零, 即F=0。
处理方法: (1) 正交分解法:这是平衡条件的最基本的应用方法。其实质就是将各外力间的矢量关系转化为沿两个坐标轴方向上的力分量间的关系, 从而变复杂的几何运算为相对简单的代数运算。
即Fx=0和Fy=0
具体步骤: (1) 确定研究对象; (2) 分析受力情况; (3) 建立适当坐标; (4) 列出平衡方程。
若研究对象由多个物体组成, 优先考虑运用整体法, 这样受力情况比较简单, 要求出系统内物体间的相互作用力, 需要使用隔离法, 因此整体法和隔离法常常交替使用。
常用方法:合成 (分解) 法;多边形 (三角形) 法;相似形法。
动态平衡的常见问题: (1) 动态分析; (2) 临界问题; (3) 极值分析等。
动态平衡的判断方法: (1) 函数讨论法; (2) 图解法 (注意适用条件和不变力) ; (3) 极限法 (注意变化的转折性问题) 。
拓展应用:两个相同的小球A和B, 质量均为m, 用长度相同的两根细线把A、B两球悬挂在水平天花板上的同一点O, 并用长度相同的细线连接A、B两小球, 然后用一水平方向的力F作用在小球A上, 此时三根细线均处于直线状态, 且OB细线恰好处于竖直方向, 如图3所示, 如果不考虑小球的大小, 两球均处于静止状态, 则力F的大小为 () 。答案:C
3 结语
总之, 只要用心去教学没有迈不过的坎, 只要用心去总结就到处是方法。何况给学生搭个梯架座桥也是教师份内之事。但愿本文能给同行一点启迪。
摘要：本文通过对高中力学部分几个重要物理模型的分析, 总结出了构建物理模型的基本思路:原题呈现—共性总结—拓展应用, 为攻克物理教学难点提高物理教学效率提供了有益的借鉴。
关键词：物理模型,共性总结,拓展应用