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物理模型法在教学中的应用   

2012-03-27 08:19:46|  分类: 初中物理教材教法 |  标签: |举报 |字号 订阅

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物理模型法在教学中的应用 



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物理模型法在教学中的应用 




作者:曾绍针

    做任何事情都要讲究方法。采用好的方法可以事半功倍,方法不当,则事半功倍。中学生学习物理的基本方法很多,如观察法、实验法、模型法、等效法、类比法和数学法等。本文侧重介绍模型法探析学生掌握这种方法的心理优势与障碍,并加以点拨。

    一、什么是物理模型法

    1、物理模型与作用。物理模型含理想模型和假设模型。物理模型排除了非本质因素的干扰,舍弃了次要因素和无关因素,突出地反映客观事物的本质特征,从而使物理现象或物理过程得到简化和理想化。

    2、物理模型的类型包括:

    (1)实体物理模型:物质模型,把客观实体理想化,如质点、点电荷、点电源等;系统模型:如力学系统、保守力系统和热力学系统;结构模型,如卢瑟福原子模型、教具图表、线路图、电场和磁场的模型。

    (2)状态物理模型,运动学中的匀速运动状态由位移、速度、时间三个量描写,理想气体状态由压强、体积、温度三个量描写,电路状态是用电流、电压、电阻三个量表征,我们可以确定一组参量来描写所研究模型的状态。在中学物理中广泛使用的图像和图线,就是状态物理模型的一种直观描述。

    (3)过程物理模型,如热学中的等温、等压、等容、绝热过程。力学所说的过程称为运动,如匀变速直线运动、简谐运动。描写物理现象变化过程的数学解析式就是过程方法,如气体状态方程、牛顿运动定律描写匀变速直线运动规律的运动学三个公式等,过程物理模型也可用图形直观地表示出来。

    二、学生掌握物理模型方法的心理优势与障碍分析

    1、数学模型方法对学生掌握物理模型方法的影响。物理那些方法与数学模型方法有密切联系。如数学上有几何点的模型,物理上有点电荷、点电源、质点等模型,物理模型与数学模型之间又存在本质的区别。如数学上的几何点仅仅是一种空间形式,是绝对的;而点电荷是携带电荷的空间形式,它的成立与否是相当的。又如数学上的无限可分是指可以连续均匀可分的,而物理上的可分性是有层次的。因此,在学生掌握物理模型方法时要充分利用数学模型对物理模型正迁移的心理作用,注意克服迁移影响,注意物理模型与数学模型的区别与联系,以及它们之间的转换。

    2、化学模型对它的互补作用。化学和物理都讲原子核式结构模型,化学上作为重点又讲了核外电子的统计分布情况----电子云。物理中重点是讲核内,如原子核的组成、核反应等,在学习物理模型时,要结合化学模型、数学模型等,搞清它们的联系与区别,充分利用它们之间的互补关系。

    3、学生在应用物理模型方法中常见的错误分析。

    (1)选定研究对象对应的实体物理模型中出现的错误。图1中的木球可当作质点,图2中的木球只能当作刚体模型来处理。中学物理力学中,高体模型、弹性体模型和范性体模型则是隐含在课本内容中的。图3是在物体可当作质点模型处理时的受力图,而图4是根据刚体平衡作出的。

    (2)确定研究对象所处的状态物理模型上的错误。如理想气体状态方程的推导,学生尽管学完了等压、等容、等温三个过程的规律,但在处理这个问题时,往往不知如何下手,实际上初、末状态都是平衡状态,在这两个平衡状态中三个参量的关系跟随中间过程无关,可在已知的三个过程规律中任选两个,推出理想气体状态方程。

    (3)选择研究对象所处状态的变化过程的物理模型出现错误。

    (4)缺乏空间想象力和形象思维能力而出现错误。应用物理模型来解决物理问题,需要较强的空间想象能力和形象思维能力,如对原子核结构模型、电场线和磁场线分布等模型的认识都需要空间想象能力。例如分析法拉第圆盘发电机的工作原理,可以把圆盘想象成由无数条径向导线构成的,这样当圆盘在磁场中转动时,这些导线由于切割磁感线而产生感应电动势,每条径向导线等效于一个电池,整个圆盘可以形象化为无数个相同的并联所组成的电池组,则圆盘产生的电动势可以求得。

    (5)缺乏抽象思维能力而影响学生掌握和应用物理模型方法。如测定电荷周围的磁场时,要有一个点电荷,并测出点电荷在该点所受的电场力,这个电荷的带电量既要使它放在电场中能够测出其所受的力,又要求出带电量小到不能影响原电场的分布,对这个物理模型,抽象思维能力差的学生就很难理解。学生要会用给予的材料组成模型来观察物理现象。如理想的自由落体运动在现实生活中是没有的,但是有时要求学生创建理想模型并且加以应用,又如在学习气体对容器的压强时,可利用雨中雨伞受雨电频繁打击而形成一个对伞面的压强来加深对其理解。

    4、思维的灵活对学生掌握物理模型方法的影响。同一客体,研究问题性质不同,其建立的物理模型不同,这就需要学生打破僵化的思维模式,对具体问题具体分析。例如:同样是一个小球,研究其碰撞问题时可视为质点;研究小球的弹性行变时,视为弹性体;研究小球的转动时视为刚体。所以在分析解决问题时,思维要具有较强的灵活性才能选择和建立恰当的物理模型。

    三、如何指导学生掌握物理模型方法

    1、指导学生要善于利用物理模型来形成物理概念。比如在学习电场和磁场这些抽象概念时,就可用“光芒四射”来形容正点电荷的电场线;用“众矢之敌”来形容负点电荷的电场线;用“钢花飞溅”来形容N极附近磁场的磁感线等。

    2、指导学生善于利用物理模型来建立和掌握物理规律,并在学习物理规律的过程中进一步掌握物理模型方法。每一个物理模型建立过程都离不开物理那些方法,所建立的物理规律在应用中也只适用于一定的物理模型。

    3、指导学生正确利用物理模型来解答物理问题。

    对于解题来说,整个解题过程可以说就是还原命题者物理模型的过程。所以,学生解题时所建立的物理模型,能否与命题者命题时的物理模型一致,是至关重要的。为此在指导学生解题时要注意物理模型方法的应用,指导学生解题过程的一般程序是:

    (1)指导学生读题,确定研究对象。

    (2)确定研究对象的实体物理模型。

    (3)从实体物理模型和习题所给出的已知条件、待求量出发,确定实体模型所处的状态,即确定研究对象的状态物理模型。

    (4)确定研究对象状态变化的过程物理模型,明确状态变化的物理过程,再把确定的变化过程联系物理规律,给出习题的过程物理模型,从而列出解题需要的方程或方程组。

    (5)通过推理计算,依据状态物理模型和过程物理模型,逐步导出要求的结果,并作检验。

    4、指导学生正确认识物理模型的近似性和局限性。

    5、指导学生学习教材中已明确提出或隐含的物理模型。有明确提出“模型”二字的,如质点。有没有明确提出“模型”二字的,但却有内在的模型,如光滑面、弹性体、范性体、电解质等;理想气体的等容、等压、等温等过程,匀速直线运动、自由落体运动、匀变速直线运动等都是理想化物理模型。

    当然,也并不是所有的物理概念、规律都有物理模型。也有些问题还无法建立确切的物理模型,如光的波粒二象性等。但是在教学中如能有效地利用物理模型,可使抽象的物理概念和规律具体化、形象化、直观化,极大地提高教学效果。



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