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对高三物理复习课中建模教学的思考
必赢亚洲线上娱乐:2014年02月28日 12:27 作者:admin  来源: 浏览次数:135
    一、当前高三学生物理学习特点分析
    1、学生的学习特点及需求
    物理学是研究自然界中物质的基本结构和物体运动的学科。在传统教学方式下完成高三第一轮复习后,学生对基础知识有了全面的掌握,对物理规律有了进一步的认识,但是遇到实际问题时往往仍是束手无策,对稍稍有些难度的题或者形式较新的题,显得力不从心。通常我们会认为学生是学生的能力有欠缺,但认真分析主要的问题在于知识零乱不成系统,知识网络没有形成,没有建立常用的物理模型,不会将遇到新的问题模型化,没有形成以不变应万变的建模能力。
    2、高三物理建模教学的必要性
    考虑到高三物理教学的实际情况,内容抽象、逻辑性强是大家对高中物理课的共同评价,如果单纯的进行知识灌输,学生很难理解,而物理模型的建立就是解决这个问题的最佳途径。  高三物理中的物理建模,将解题过程化繁为简,将复杂、零碎的问题直观、形象地呈现在学生面前,降低了物理解题的难易程度,增强了学生对这门学科的学习自信,同时正确建立物理模型的过程本身,也是不断提高学生自身思维品质的过程.通过物理建模,能够有效提高学生的创新能力,便于学生更好的适应高考。
    二、高中物理模型的分类
    在高中物理的学习内容范围内,根据研究对象的情景不同把物理模型可划分为实体模型、过程模型、结构模型、条件模型。
    1、实体模型  物理学的研究对象——实际物体在直接进行抽象与概括后,为研究问题本质而建立起来的模型。例如:力学中为研究物体运动规律时把实际生活中复杂结构的物体看作质点,也就是当一个物体的形状对所研究的问题影响不大或可以忽略时,可用一个有质量的点来代替实物,这就是质点模型的建立。一般说来,如果所研究的运动不涉及物体的转动和物体各部分的相对运动时,往往将其视为质点。在有些问题中物体很大却可以看成质点,例如:在研究地球对太阳的公转时,可以把地球看成质点。但在研究地球的自转时,却又不能将它看作质点。因为地球自转时,离地心不同距离的点运动的线速度是不同的,因而不能将整个地球看作一个质点。
    2、过程模型  就是把物体的运动过程和现象的变化过程进行抽象的概括而建立起来的物理模型。平抛运动是曲线运动中的一种理想化的物理模型,我们在重力场中充分说明了平抛运动的有关知识后,就可将其应用到不同的知识中,例如:在研究带电粒子垂直磁场方向进入强磁场中运动的情况时,我们就可以类比平抛运动知识进行解决。
    3、结构模型  就是物理学研究物理现象时涉及到的有关物理量在空间分布的情景时建立起来的模型。如在研究电荷的电场分布时,引入了电场线模型及等势面模型。在研究磁场空间结构及分布情况时,法拉第引入了磁感线的模型。原子物理学中,卢瑟福为解释α粒子散放实验结构而建立了原子核式结构模型。尼·玻尔为解释氢原子的核外电子运动而提出的玻尔能级模型等。
    4、条件模型  高中物理往往研究的问题是物体间相互作用,有些环境因素对物体运动会有一定的影响,这时为了研究问题的方便,往往需对物体所处的环境进行理想化的设定而建立条件模型。例如:物体在光滑水平面上运动,实际上绝对光滑是不存在的,只是忽略了摩擦力对物体运动的影响,物体在地球表面做自由落体运动时,因为只考虑重力是主要的影响因素,因而忽略了空气阻力的影响。在研究弹簧作用下物体的运动状态变化问题时,往往把弹簧看作轻弹簧,这是忽略弹簧的质量对物体间相互作用及运动状态变化的影响。在力学中有关轻绳、轻杆问题等都采用了条件模型。
    通过对各个物理模型的比较、总结,能切实有效地培养学生善于总结物理现象、发现物理规律中异同的能力,为学生在解决实际问题时练就“去伪存真、去粗取精”的能力奠定基础。
    三、高三物理建模教学的实施
    1、重视对学生建立模型意识的培养
    理想的物理模型,既是物理科学体系中光辉的典范,也是解决现实物理问题不可缺的依据,其重要性不言而喻。所以,教师在教授知识的过程中,要根据实际情况,适时的向学生强调基本物理模型建立的过程和条件,并要求学生牢固把握住这些基本的物理模型,并且在解决物理问题时引导学生如何根据题设条件,以物理规律出发,通过分析、综合、类比等,突出对研究的问题起主要作用的因素,略去非本质的次要因素,使思维在纷繁复杂的具体问题中抽象,构造出我们熟悉的物理模型,然后应用掌握的相关知识予以解决。要循序渐进地启发引导学生,使学生逐步熟悉并掌握这种科学研究的思维方法,养成良好的思维品质,使构建物理模型的意识真正成为学生思考问题的方法与习惯。
    2、在教学中培养学生的建模能力
    ⑴、概括总结,触类旁通,建立模型。在高中物理复习中,我们可借助模型的建立,对同类、相似的问题进行比较、概括、总结,使学生触类旁通、举一反三。例如,在“类平抛运动”的复习中,我们把平抛运动和带电粒子垂直进入匀强电场中的运动问题从初状态、受力特点进行比较、分析,找出它们的共性,建立“类平抛运动”模型,从而得到解决此类问题的一般方法。
    ⑵、化繁为简,灵活运用,建立模型。
    在解决具体物理问题时,我们可根据题设条件,从物理规律出发,通过分析、抽象,将待求问题转换并建立为熟悉的物理模型,达到化繁为简,灵活运用的目的。例如:某一消防运动员从一平台上跳下,下落2m后双脚触地,接着他用双脚弯曲的方法缓冲,使重心又下降了0.5m。在着地过程中,地面对他双脚的平均作用力大约是自身重力的几倍? 
[简析] 这个问题以学生熟悉的生活中物理为背景,渗透了高中力学中运动学规律、动能定理等知识及匀变速直线运动及质点等模型。解决这个题目的关键是把人抽象为质点模型,人的运动抽象为先做匀加速后做匀减速运动的运动模型。原型问题通过抽象后与如图所示理想问题(小球从高H处自由下落进入砂坑h深度,求小球在砂坑中受到阻力)类同,然后运用整体动能定理列出:mg(H+h)-FNh=0,解之:FN=5mg。
通过这个原型问题教学,不但可以使问题得到简化,还可以加深学生对有关概念、规律的理解,提高学生分析、简化抽象物理模型的能力,从而培养学生思维的灵活性。
    ⑶、强化信息题训练,培养学生的建模能力。
解信息给予题由四步组成:第一步获取信息,包括丢弃跟问题无关的干扰信息,找到有用的信息,并使之跟所学的物理知识发生联系;第二步是整理信息,把题目中的日常生活、生产或现代科技背景抽去,剔去无用的信息,纯化为物理过程;第三步建立物理模型,即在有用的信息的基础上根据所学物理原理建立适合自己简单“物理模型”;第四步列式求解。其中第二、三两步是解信息题特有的,也是解信息题成败的关键,完成了这两步即实现了信息题转化为“传统题”,也就走上了熟路。
例如:阅读下列信息,并结合信息解题:
    开普勒从1609年-1619年发表了著名的开普勒行星三定律。第一定律:所有的行星分别在大小不同的椭圆轨道上围绕太阳运动,太阳在这个椭圆的一个焦点上;第二定律:太阳和行星的连线在相等的时间内扫过相等的面积;第三定律:所有行星的椭圆轨道的半长轴的三次方跟公转周期的平方的比值都相等。
    实践证明,开普勒三定律也适用于人造地球卫星的运动。如果人造地球卫星沿半径
为r的圆形轨道绕地球运动,当开动制动发动机后,卫星速度降低并转移到与地球相切的椭圆轨道。如右图所示,问:在这之后,卫星经过多长时间着陆?(空气阻力不计,地球半径为R,地球表面重力加速度为g。圆形轨道作为椭圆轨道的一种特殊形式。)
[简析]:
(1)信息的收集:此题的信息可分为四块:一是开普勒三定律的内容;二是开普勒三定律也适用于人造地球卫星;三是人造地球卫星由圆轨道转移到椭圆轨道;四是圆轨道作为椭圆轨道的一种特殊形式。
(2)信息的提炼:最有效的信息为开普勒第三定律,是本题的突破口,开普勒第二定律几乎是无效的,应予忽略,其它信息是辅助信息。
(3)联系已有知识结合新信息解题
设m为卫星质量,r为圆轨道半径,T为运动周卫星在圆轨道上运动时,由圆周运动的动力学知识,可以得出卫星的半径和周期的关系,由牛顿第二定律得
  
(常规模型的应用)
在地球表面时有:
  (常规模型的应用)
因为圆轨道作为椭圆轨道的一种特殊形式,因此该圆轨道的半径的三次方和其周期的平方之比与椭圆的半长轴的三次方和周期的平方之比相等。由图可得,椭圆半长轴的大小为(r+R)/2,卫星由圆轨道转移到椭圆轨道,设周期为T’
由开普勒第三定律得:
      (新信息的应用)
卫星落地时间:

解上述各式得:  

    由上述例子可见:提炼有效信息是解答联系实际的信息题的关键。在提炼好的有效信息的基础上,再结合平时所学的物理知识进行回忆,根据题目的具体条件,通过类比、等效代换等手段,合理建立物理模型,从而达到解答信息题的目的。
    综上所述,在高三物理教学中,教师循序渐进地启发、引导学生,合理建立、应用物理模型,处理比较复杂的物理问题,熟悉并掌握这种科学研究的思维方法,养成良好的思维习惯,不但能使学生加深对物理概念和规律的理解,提高解题技巧,举一反三,触类旁通,化繁为简,而且对开发学生智力,发展创造性思维,将起到积极的作用。这也是实现高三物理有效教学的重要保证。