高中物理模型的归类与分析

本本 科科 毕毕 业业 论论 文 设文 设 计 计 题目 题目 高中物理模型的归类与分析高中物理模型的归类与分析 作 者 单 位 物理学与信息技术学院 专 业 物理学 作 者 姓 名 任艳华 指 导 教 师 郭芳霞 提 交 日 期 二 一六年四月 高中物理模型的归类与总结高中物理模型的归类与总结 任艳华任艳华 摘 要 物理模型是高中物理知识的重要载体 其中绝大多数内容都是以物理 模型为基础和载体向学生传递知识的 物理模型不仅是学生获得物理知识的一 种基本方法 更是一种培养学生应用能力和创新能力的重要工具 本文主要讲 述物理模型的概念及分类方法 并结合整个高中物理中的重点和难点知识对物 理模型进行分类与总结 最后指出运用物理模型教学的意义 关键词 物理模型 高中物理教学 教学意义 物理学是一门重要的自然科学 它研究的对象是自然界最普遍 最基本的 运动形态及物质结构相互作用和运动规律的学科 自然界的各种各种事物之间 存在着千丝万缕的关系 并且复杂多变 因此 为了探讨物理事物的本质 根 据所研究的具体问题或问题的特点 用科学抽象的思维方法对问题进行抽象的 描述 抓住事物主要的 本质的特征 忽略其次要的 非本质的因素 将所研 究对象进行简化 高度抽象而建立起来的一种新的物理形象 即物理模型 1 高中物理模型的概述高中物理模型的概述 1 11 1 物理模型的含义物理模型的含义 模型 一词来自于 Modulus 意为样本 尺度 标准 钱学森先生曾 给模型下过这样的定义 模型就是通过对问题现象的分解 分析 利用已知原 理 吸取主要因素 省略次要因素 而创造出的一幅图画 1 根据物理模型的特点 美国学者 David Hestenes 1995 认为 物理模型是对 物理系统和某一物理过程的抽象化表征 它可以表征系统的结构及其某一方面 的特征或运动规律等 2 据此我们可以得出物理模型是对客观原型的一种 概 念化 的抽象描述 这种描述包括了对客观实物的结构 某一方面的特征等 1 2 建立物理模型的意义建立物理模型的意义 经过抽象思维构思出来的物理模型 可以简化物理学所分析 研究的复杂 问题 且模型中得出的结果与客观实际又不会有明显的偏差 运用物理模型可以帮助人们解决实际生活中的问题 在实际处理时只需要 将实际事物抽象成理想模型 然后将模型的研究结果直接运用于实际 面对比 较复杂的问题时 首先研究它的物理理想模型 再结合客观实际将其研究结果 进行修正 从而使之与实际对象的本质相一致 3 例如 由理想气体状态方程 得出的结果与实际气体不相符合 这是因为在推导理想气体状态方程nRTpV 时 将分子力完全忽略了 而实际气体中气体分子的大小和分子间的相互作用 力是不容忽视的 因此 从代表理想气体体积的 V 中减去分子体积 b 对测定 的压强值 P 加上一个反映气体分子间引力的压强修正值 即得出反应实际P 气体性质的状态方程 即范德瓦尔斯方程 4 nRTbVPP 2 物理模型的归类物理模型的归类 解决物理问题最重要的方法是建立物理模型 可以将物理问题总结为这样 的一句话 处于某种物理状态或某种物理过程中的某物理研究对象在某物理条 件下的问题 5 在物理学中 不论是解决什么样的问题 都应遵循以下的四个 原则 其一 明确研究和学习的对象 其二 明确研究和学习的对象所处的状 态 其三 明确状态的变化过程及此过程中的特征 其四 选择正确的方式解 决该物理问题 由以上对物理问题的特点及解决物理问题方法的思考 拟分高中物理模型为以 下三类 1 对象模型 对象模型是由用来代替实际物体的具体物质组成 且能代表研 究对象本质的实物系统 6 2 条件模型 高中物理模型中的条件模型就是将研究对象所处的外部条件理 想化 舍去条件中的非本质因素 抓住其本质因素 将所研究的问题化难为易 而建立起来的一种模型 3 过程模型 过程模型是将物理过程理想化 纯粹化后抽象出的新的物理过 程 分清影响物理过程的主要因素和次要因素 只保留其中的主要因素 忽略 次要因素 即得到了过程模型 7 3 高中物理模型的归类与分析高中物理模型的归类与分析 根据以上对物理模型的分类 本文将分别从力学 电磁学 热学 光学四 个方面从以上三种模型对高中物理模型进行归类与总结 3 1 力学力学 3 1 1 在力学中常见的对象模型有 在力学中常见的对象模型有 1 质点 把物体看成是没有质量 只有大小的点 在研究物理问题时 若物 体的形状和大小对所研究的问题影响很小或没有影响时 我们就可以把所研究 的对象看成质点 那么 在何种的情况下 物体的形状和大小对所研究的问题 影响很小或没有影响呢 通过观察可以发现 在以下的三种情况下可以将研究 的对象看成质点 物体只做平动 只研究物体的平动 而不考虑其转动效 果 物体的位移远远大于物体本身的尺寸 如远航的巨轮 人造卫星等 2 轻弹簧 轻绳 轻杆 橡皮绳 轻滑轮 滑环 不计质量以及与质量有关 的重力 动能 动量 下面就其中一些重要的模型 进行详细说明 轻弹簧模型 同一根弹簧上各点弹力大小处处相等 因弹簧形变需要一段时 间 瞬间内的形变量可以忽略不计 即弹簧上的弹力不能突变 轻绳模型 轻绳 在物理学上是个绝对柔软的物体 它的质量可忽略不计 只产生拉力 一段轻绳上的拉力处处相等 且拉力的方向沿着绳的方向并指向 绳收缩的方向 因轻绳的劲度系数很大 所以轻绳在受力的时候形变非常微小 可以看做是不可伸长 与轻弹簧模型最大的区别是轻绳上的拉力可以突变 在 高中物理中所涉及的绳子问题中 除有特别的说明或有明显的暗示是弹性绳外 一般都可以视为轻绳模型 轻杆模型 轻杆的劲度系数和轻绳一样 非常大 均可以看做是不可伸长或 压缩 轻杆 模型是高中物理中的一个重点也是难点所在 所以这里特别说明 一下 在具体的题目中要注意的去判断杆是 活杆 还是 死杆 如果杆是固 定的 我们认为杆是 死杆 它可以产生拉力 压力和侧向力 力的方向不一 定沿着杆的方向 如果杆是可以绕铰链转动的 我们认为杆是 死杆 杆只能 产生沿杆方向的力 这个力可以是拉力 也可以是压力 橡皮绳 质量和重力均可视为零 只能受拉力 不能受压力 受力形变明显 同一根橡皮绳中各点张力大小相等 沿绳方向 不可突变 但被剪断时弹力立 即消失 轻滑轮 一般与轻绳组合 不计质量和重力 滑轮两侧轻绳拉力相等 滑环 光滑圆环 忽略物体所受到的阻力 既可施加拉力 又可承受压力 力的方向沿环径向 3 弹簧振子 带有小孔的小球穿在光滑的杆上并装在弹簧的一端 使其能够 自由的滑动 弹簧的质量与小球相比可忽略不计 小球能在平衡位置附近做一 种往复运动的机械运动 这样的系统称之为弹簧振子 4 单摆 用不可伸长的 质量可忽略的细线悬挂着可视为质点的小球在竖直 平面内摆动 3 1 2 在力学中常见的条件模型在力学中常见的条件模型 1 光滑平面 物体在光滑表面上的运动 忽略了物体所受到的摩擦阻力 如 物体在冰面上滑行 由于摩擦阻力很小 可近似认为冰面是光滑表面 2 真空 不存在任何物质的空间状态 在实际问题中 如果空气很稀薄或物 体的重力远远大于其所受到的空气阻力 则可以忽略空气阻力 近似的认为物 体所处的空间是真空 3 恒力 作用在物体上力的大小 方向保持不变 4 双星系统 双星是绕公共圆心转动的一对恒星 忽略其他星球对此双星的 作用力 则这一对恒星在彼此引力的作用下其连线上的某一点做周期相同的匀 速圆周运动 3 1 3 在力学中常见的过程模型在力学中常见的过程模型 1 匀速直线运动 速度的大小和方向保持不变 2 匀变速运动 加速度恒定不变 常见的匀变速运动有 自由落体运动 将物体下落的过程中所受的空气阻力忽略 即物体由静 止开始只在重力的作用下的运动 平抛运动 物体只在重力的作用下水平抛出 则沿水平方向 0 avg 类平抛运动 物体受到与初速度的方向垂直的恒力 在这种情况下我们 将质点所做的运动叫做类平抛运动 其运动规律与平抛运动相类似 它的运动 特点是 在方向上做匀速直线运动 垂直方向做初速度为零的匀加速直线 0 v 0 v 运动 加速度 m F a 3 斜抛运动 物体只在重力的作用下 以一定的初速度斜向射出 我们把物 体所做的这类运动叫做斜抛运动 斜抛运动的运动轨迹对经过最高点的竖直线 是左右对称的 在经过最高点之后 它的运动就是平抛运动 这就使得我们在 研究斜抛运动时可以将其作为平抛运动来分析处理 4 匀速圆周运动 运动轨迹为圆 速度方向不断变化 大小恒定不变的运动 合外力 加速度大小不变 方向始终指向圆心 5 太阳系中个行星绕中心天体的椭圆轨道近似为圆轨道 6 简谐运动 若质点振动的图像 位移与时间的关系 是一条正弦 这时我 们将质点的运动称为简谐运动 其最主要的特征是它的受力特征 单kxF 摆和弹簧振子是高中物理中常见的两种简谐运动的实例 下面分别对此详细说 明 单摆 单摆做简谐运动的条件是 最大摆角 在忽略空气阻力的情况 o 10 下 回复力是由重力沿切线的分力充当 其振动的周期是 sinmgF g L T 2 弹簧振子 在弹性限度内 弹簧振子的回复力是由弹簧的弹力提供 其振动 的周期为 k T m 2 7 弹性碰撞 如下图 1 所示 已知质量分别为的两个刚性小球 A 和 BA mm B 小球 B 静止在光滑水平面上 A 球以初速度为与静止的小球 B 发生弹性 0 v 碰撞 则质点在相互作用的过程中合外力为零 两质点组成的系统动量守恒 机械能守恒 将正方向规定为小球 A 的初速度方向 则有 2 2 2 1 2 0 210 2 1 2 1 2 1 vmvmvm vmvmvm BAA BAA 由上面两式得 BA A BA BA mm vm v mm vmm v 0 2 0 1 2 弹性碰撞模型的关键是碰撞前后动量守恒 机械能守恒 只要具备了这一 特征的碰撞 我们均可以将物体的碰撞理解为弹性碰撞 常见的弹性碰撞有 光滑的钢球 弹性球 原子或分子等微观粒子的碰撞 3 2 电磁学电磁学 3 2 1 在电磁学中常见的对象模型在电磁学中常见的对象模型 1 点电荷 点电荷模型与质点模型相类似 当带点物体的形状或大小对所研 究的问题处于次要地位或者可以忽略不计时 我们就可以把这个带点物体看成 是点电荷 2 试探电荷 一方面试探电荷的尺寸必须非常小 能精确表示其在电场中的 位置 另一方面试探电荷的电荷量也要足够小 放入电场之后不影响原本的场 强分布 3 理想电表 理想电压表的内阻可视为无穷大 在分析电路时可以看作开路 即在分析电路时 它的分流作用可忽略不计 理想电流表的内阻可视为无限小 在分析电路时可以看作短路 即在分析电路时 电流表上的压降可忽略不计 4 理想电源 当电源内阻很小 或远远小于外电路电阻时 这时电源内阻上 的功耗可以忽略不计 我们将这种电源称为理想电源 在具体计算时其内阻可 以忽略不计 5 简单电路 忽略导线上的电阻的电路 6 纯电阻电路 纯电阻电路就是指电能全部转化为内能 而不转化为其他形 式能量的电路 例如 电炉 白炽灯 日光灯不是 电烙铁等 7 理想二极管 单向导电性是理想二极管的一个重要特点 将正向电压加在 图 1 理想二极管两端时 理想二极管电阻为零 相当于一根导线 将反向电压加在 理想二极管两端时 二极管电阻为无穷大 所在位置相当于断路 8 理想变压器 磁通量都集中在铁芯中 因此没有磁通量的损失 同时也没 有能量损失 如铁损 铜损等 9 平行板电容器 电容器是由两个彼此绝缘且互相靠近的导体构成 描述电 容器的重要的一个物理量是表示电容器容纳电荷的的本领 电容 C 但决定电容器的电容的大小仅由自身的几何结构 如正对面积 间距 U Q C 和介质特性决定 与它是否带电 板间电势差的大小等无关 对平行板电容器 来说 电容 kd S C r 4 10 匀强电场 场强的大小 方向均相同的区域为匀强电场 匀强电场的电 场线是疏密间隔相等的平行线 场强 即沿电场方向相等的距离电势下 d U E 落相同 11 匀强磁场 磁场强弱 方向处处相等的区域称为匀强磁场区域 匀强磁 场的磁感线是疏密间隔相同的平行直线 带点粒子只在洛伦兹力的作用做匀速 圆周运动 常见的匀强磁场有 通电螺线管内部 较大的蹄形磁体的两磁极间 等 3 2 2 在电磁学中常见的条件模型在电磁学中常见的条件模型 1 带点粒子在电场 磁场中的运动时 由于带电粒子所受的重力远远小于其 所受到的电场力或磁场力 所以可以忽略其所受的重力 将问题简化 只研究 其在电场力或磁场力的作用下的运动 2 静电平衡 导体中的电荷处于稳定的状态 内部场强为零是达到静电平衡 的导体的一个重要特点 在中学物理中运用最多的就是处于静电平衡的导体是 个等势体 其外部表面附近任一点的场强方向跟该点的表面垂直 所以它的表 面是个等势面 例如 可近似的认为地球处于静电平衡状态 即地球是一个等 势体 3 静电屏蔽 达到静电平衡的导体 其外壳会保护它的内部 使其不受外部 电场的作用 这种现象称为静电屏蔽 8 3 2 3 在电磁学中常见的过程模型在电磁学中常见的过程模型 1 恒定电流 导体中定向运动的自由电荷在恒定电场的作用下速率增加 但 由于导体内存在不动的粒子 自由电荷在运动的过程中必定会与其发生碰撞导 致减速 因此自由电荷定向运动的速率保持不变 这时如果我们将一个电流表 串联进该电路 电流表的示数将保持不变 我们把这时的电流称为恒定电流 即大小和方向都不变的电流 9 3 3 热学热学 3 3 1 在热学中常见的对象模型在热学中常见的对象模型 1 理想气体 是为了研究问题的简便将实际气体加以简化而建立的一种理想 化模型 即理想气体 其微观模型是 分子本身并无大小 不计分子之间 的相互作用力 除碰撞外 无分子势能 温度决定其内能的大小 分子间的 碰撞可看成是弹性碰撞 10 2 绝热物质 不与外界发生热传递的物质 3 3 2 在热学中常见的条件模型在热学中常见的条件模型 1 绝热系统 系统与外界不产生热传递 既可做功 也可交换物质 3 3 3 在热学中常见的过程模型在热学中常见的过程模型 1 等温 等容 等压变化 一定质量的某种气体 在温度 体积 压强这三 个物理量中一个保持不变 另外两个物理量发生变化 11 下面分别对此详细说 明 等温变化 一定质量 温度的某种气体 压强随体积的变化 叫做气体的等 温变化 当温度一定时 分子的平均动能就一定 这时体积逐渐减小时 分子 密集程度就逐渐增大 气体的压强就逐渐增大 满足 2 2 1 1 T p T p 等容变化 一定质量 体积的某种气体 压强随温度的变化 叫做气体的等 容变化 当气体体积一定时 则单位体积内的分子数一定 随着温度的升高 分子运动的速率增加 单位时间内与容器壁单位面积上碰撞的分子数增多 气 体压强随着每次碰撞产生的平均冲力增大而增大 满足 2 2 1 1 T p T p 等压变化 一定质量 压强的某种气体 体积随温度的变化 叫做气体的等 压变化 当温度升高时 气体分子速率增加 平均动能增大 要保持压强不变 必须减小单位体积内的分子个数 即增大气体的体积 满足 2 2 1 1 T V T V 2 绝热过程 系统与外界发生能量的交换只由于外界对它做功 而没有与外 界发生热传递 这样的过程称为绝热过程 3 准静态过程 指一个过程发生得无限缓慢以至于每一个中间状态都可以被 近似地看成一个平衡态 现实生活中无严格的准静态过程 但是有很多近似的 准静态过程扩散 比如说 缓慢压缩气体 4 可逆过程 系统经历某个过程由初态变化为末态 如果找得到另外一个过 程 使得系统和外界都复原 那么该过程就是可逆过程 如 无耗散的准静态 过程是可逆过程 5 平衡态 在没有外界影响的情况下 经过足够长的时间 系统内各部分的 状态参量会达到稳定 将这时系统所处的状态叫做平衡态 6 热平衡 若两个系统之间没有隔热材料 或者是用导热性能很好的材料接 触 则两个系统的状态参量将会相互影响而改变 当它们达到平衡态时 说明 两个系统具有了共同的性质 此时我们说两个系统达到了热平衡 3 4 光学光学 1 点光源 点光源是理想化为质点的光源 指的是一个光源可以向周围空间 发出均匀的光 在现实中是不存在点光源的 2 光线 光线是表示光的传播方向的直线 是一种几何的抽象 在几何光学 中 将光线看作是光能量传播方向的几何线 我们把这种几何线称为光线 3 薄透镜 是指透镜的厚度 穿过光轴的两个镜子表面的距离 与焦距的长 度相比 可以忽略不计的透镜 12 4 物理模型在中学教学中的作用物理模型在中学教学中的作用 在物理学发展过程中具有里程碑意义的是物理模型的产生 它是物理知识 的载体 许多物理问题都是由基本的物理模型组合而成 只要我们能熟练运用 这些基本模型 我们所遇到的物理问题就会迎刃而解 下面将通过一个具体的 物理问题来说明 例 如下图 2 所示 质量均为 m 的 A B C 三个木块置于光滑水平面上 B 与 C 之间的一根轻弹簧使 B C 与弹簧的两端接触而不固连 现将弹簧压紧 到最小时用细线将 B 和 C 紧连 这样 B C 就可视为一个整体 现 A 以初速度 沿 B C 方向运动 与 B 相碰后粘合在一起 此时细线突然断开 在弹簧弹 0 v 力的作用下 C 与 A B 分离 已知 C 离开弹簧时的速度恰为 求弹簧释放时 0 v 的势能 由题意 我们将此问题的解决确立为以下三步 1 确定研究对象 由题意我们可以将 A B C 三个物体视为质点 这样我 们就可以分别以它们为研究对象 2 物体运动的过程 A B 在碰撞的过程中 由于水平面光滑 则它们在 水平面上不受外力 满足弹性碰撞的过程 这个过程中动量守恒 机械能守恒 所以 mvmv3 0 弹簧伸展的过程 对系统而言 只有弹簧的弹力对系统做功 满足机械能守 图 2 ABC 恒的条件 2 0 2 1 2 2 1 2 2 1 3 2 1 mvvmEvm P C 离开弹簧时 系统在水平方向上合力为 0 所以系统动量守恒 01 23mvmvmv 3 由以上三式即得弹簧释放时的弹性势能 2 0 3 1 mvEP 由此可见 正确运用物理模型已经成为中学物理教学的重要手段 其在教 师教学中发挥的作用无可替代 4 1 师生交流的桥梁与纽带师生交流的桥梁与纽带 纵览中学物理教材 我们不难发现物理模型贯穿了整个中学物理的教材和 课堂 教师在课堂上通过对其进行分析和讲解 逐渐将抽象的物理问题形象化 直观化 让学生在脑海中形成清晰的物理概念 同时对物理规律也有了正确而 深刻的理解 它已然成为了师生对话的重要载体 4 2 培养学生物理兴趣 简化教学过程的重要工具 培养学生物理兴趣 简化教学过程的重要工具 在高中物理教材中许多物理知识比较抽象难懂 学生理解起来往往比较困 难 也正因为如此 很多高中生认为物理枯燥 无味 逐渐对学习物理失去了 兴趣 作为物理教师 要改变这种现象 就有必要正确 合理地运用物理模型 开展教学 让学生主动了解 深入体会物理知识背后隐藏着有趣的物理现象 进而使学生感悟到学习物理的乐趣 逐渐形成乐学 好学的学习态度 教师通过采用物理模型教学 使物理问题的主干更加突出 先将抽象的物 理问题直观具体地展现在学生面前 再将物理过程简洁 明确地讲述给学生 由此简化了对复杂问题的探讨 使物理问题由难变易 由繁变简 实现了帮助 学生梳理思路 发散思维的效果 进而使得物理问题不再枯涩难懂 4 3 激发学生思维 提高学生创新能力激发学生思维 提高学生创新能力 人们在学习物理知识和研究和解决物理问题的过程会逐渐形成和发展思维 能力 它是智力的核心 是在这个过程中表现出来的一种直接影响工作效率的 个体智力特征 我们把这种特征称为物理思维特征 物理教学的核心内容之一就是培养思维能力 模型是思维的产物 运用模 型解决实际问题的过程中 常用到理想化方法 类比迁移法 等效替代法 实 验归纳法 演绎推理法等科学思维的方法 13 教师在教学的过程中 引导学生 根据实际问题抽象出物理模型 培养学生运用科学思维解决实际问题的方法 学生在使用物理模型解决实际问题的过程中 遇到的问题大多都是一些以自然 现象 生产生活实际 现代科学技术为背景的信息给予题 这类问题本着高起 点低落点 具有很强开放性与应用性 学生生硬的套用物理公式是不能解决问 题的 而要解答此类问题 必须要求学生从大量文字中摄取有效信息 从创新 的角度 运用创造性的思维根据物理情境建立相应的物理模型 最后根据已学 的知识做出相应的解答 在这个解决物理问题的过程中有效的培养了学生创造 性思维能力 14 5 教学建议教学建议 在应试教育的模式下 系统知识的传授在教师教学过程中多居于主导地位 而学生搜集和处理信息的能力 获取新知识的能力 分析和解决问题的能力往 往被忽略 这使得学生在处理新问题的时候不能做到举一反三 这就是古人所 说的 得一鱼仅可饱一餐 教师首先必须认真研究教材 吃透教材 将各章节 知识系统化 在此基础上形成物理模型 并以物理模型作为教学切入点 才有 希望改变这种教育现状 再者 要培养学生形成自觉将物理模型运用于实际问 题的能力 10 即古人所说的 得一渔而受用终生 惟其如此 物理教学中的 应试旧弊才能根本革除 教学才能创新 教育才有希望 参考文献参考文献 1 刘来福等 数学模型与数学建模 M 北京 北京师范大学出版社 2000 47 50 2 Malcolm Well David Hestenes Gregg Swackhamer A modeling method for high school physics instruction Am J Phys J 1995 63 7 680 683 3 贺凯祥 高中物理教学中物理模型的构建与运用研究 D 湖南师范大学 2007 4 沈金来 迁移规律在物理教学中的运用探讨 J 中学物理教学参考 2004 11 5 8 5 陆天明 思维的力量 高中物理思想与物理方法 M 南京 东南大学出版社 2014 9 10 6 潘康 理想化方法在中学物理教学中的应用 J 镇江高专学报 2004 3 109 110 7 陆天明 思维的力量 高中物理思想与物理方法 M 南京 东南大学出版社 2014 10 11 8 赵凯华 陈熙谋 电磁学 M 北京 高等教育出版社 2006 44 45 9 中华人民共和国教育部 普通高中物理课程标准实验教科书 S 北京 人民教育 出版社 2003 41 42 10 秦允豪 电磁学 M 北京 高等教育出版社 2002 25 26 11 秦允豪 电磁学 M 北京 高等教育出版社 2002 208 221 12 姚启钧 光学教程 M 北京 高等教育出版社 2002 15 16 13 王较过 李贵安 物理教学论 M 西安 陕西师范大学出版社 2009 83 85 14 卢建筠 高中新课程教学策略 M 广州 广东教育出版社 2004 56 58 High school physics model of classified and summarized Yanhua Ren AbstractAbstract The physical model is the important carrier of high school