探索思维能力论物理模型化思维能力培养

摘 要： 近年来高考命题提倡能力立意优先，这就要求学生能够根据题目信息准确构建物理模型，再利用模型所对应的规律解题。作者就学习、认识、应用模型的三个阶段谈谈对模型源于：大学生论文网www.618jyw.com
化思维能力培养的见解。
关键词： 物理模型 模型化思维 能力培养
物理模型是指具有典型性且满足一定条件的某一物体或某一物理过程。在物理教学中，首先要引导学生步入模型这个思维的大门，进而适应这种思维形式，最后掌握物理模型化思维这一技能。

一、学习物理模型

物理模型众多，现就竖直面内的圆周运动模型分析，该模型是应用比较广泛的一个物理模型，其变化也比较多。先看它的基本模型——轻绳模型：质量为m的小球在绳的拉力作用下在竖直平面内做圆周运动。运动过程中关键的几个物理量是绳子的拉力、加速度、速度，两个特殊位置是最高点和最低点。在领悟基本模型的过程中需要将这些物理量研究透彻，并且研究清楚从最低点到最高点及从最高点到最低点的过程中，这些物理量的变化规律。其变化规律小结如下：
两个特殊位置：最低点F-mg=m
最高点F+mg=m（当F=0时，v=，该速度也是确保小球能在竖直面内做完整的圆周运动的临界速度）
两个典型过程：最低点→最高点-2mgR=mv-mv
最高点→最低点 2mgR=mv-mv
例1：绳系着装水的桶，在竖直平面内做圆周运动，水的质量m=0.5kg，绳长l=0.4m.求：
（1）桶在最高点水不流出的最小速率；
（2）若水在最高点速率为4m/s，求桶在最低点时水对桶底的压力？（g取10m/s）
[解析]该题是一个典型的轻绳模型，在学生了解该模型运动规律的情况下，可以准确做出解答。
（1）由mg=m 得v==2m/s；
（2）由2mgl=mv-mv，F-mg=m得F=45N，根据牛顿第三定律水对桶底的压力为45N。
在学习物理模型阶段，学生尚停留在对模型基本知识的记忆、模仿阶段，对于模型本质特征还很茫然，这就需要我们不断思考，发现其本质的东西，拓展其应用的范畴。为此必须过渡到第二阶段。

二、认识物理模型

在学习了模型化解题方法后，还需做深层次的思考，尝试能够在一些非基本模型的问题中，找出与所学模型的共性，达到使用现有模型解决未知问题的目的，这一系列思维活动可以概括为“渐悟”。
“渐悟”是模型学习过程中比较艰难的一段路，一方面对一些基本模型要了解，另一方面要有执著的精神，勇于尝试、严密推理。
就圆周运动轻绳模型而言，并不一定要有绳子系着运动，如图1中的小球在轨道内侧运动，其运动特征与轻绳模型相同。
例2：如图2所示，ABC是光滑半圆形轨道，轨道直径AOC沿竖直方向，长为0.8 m.今有一质量为m的小球自A点以初速度v水平射入轨道内，求：
（1）小球能沿轨道运动时，水平初速度v的最小值；
（2） 若小球的水平初速度小于（1）中最小值，小球有无可能经过B点？（g取10 m/s）
[解析]该题乍看是新题型，实则就是轻绳模型，把握好能做圆周运动的最高点特征该题即迎刃而解。而第（2）问则是对轻绳模型的临界速度的深入考查。
（1）经分析，A点轨道弹力为零时，v的值最小
由mg=m 得 v==2m/s；
（2）由于v<2m/s，小球将做平抛运动，假设能够经过B点，则有R=vt，R=gt，
得v=m/s，假设成立。
经过上述不懈追求的历练过程，我们对轻绳模型已经有了比较全面的认识，但此时头脑尚受已有认知的羁绊。只有经过不断地历练、思索、追求，才能发现轻绳模型的精髓与神韵，于是才能出现第三阶段。

三、应用物理模型

这个阶段到了畅游学海胜似闲庭信步的境地，具体讲就是对理想模型的掌握到了炉火纯青的程度，更是一种悠然心会，更是一种返璞归真。在这个过程中时常能够体会到“众里寻她千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”的那种欣喜。
例3：如图3所示的装置是在竖直平面内放置的光滑绝缘轨道，处于水平向右的匀强电场中，带负电的小球从高h的A处由静止开始下滑，沿轨道ABC运动并进入圆环内做圆周运动。已知小球所受电场力是其重力的，圆环半径为R，斜面倾角θ=60°，BC段长为2R。若使小球在圆环内能做完整的圆周运动，h至少为多少？
[解析]仔细分析该题不难发现轻绳模型的身影。只是由于静电力的加入使得圆周运动的等效最低点和最高点发生了变化。
小球所受的重力和电场力都为恒力，故可将两力等效为一个力F，如图4所示，可知F=1.25mg，方向与竖直方向成37°。由图可知，小球能否做完整的圆周运动的临界点是D点，设小球恰好能通过D点， F=m，即1.25mg=m ①
由动能定理mg（h-R-Rcos37°）-mg（hcot θ+2R+Rsin37°）=mv ②
联立①②两式求得h≈7.7R
通过上述分析不难看出，模型化思维能力的培养不是朝夕能够完成的。只有通过自己的深入思考、归纳总结，才能准确把握模型的物理概念及其丰富的内涵；只有熟悉物理模型、辨别差异，才能进行合理拓展，灵活运用模型。
参考文献：
刘新峰.谈谈对学生物理建模能力的培养[J].考试周刊，2011（43）：181.
周圣峰.高三学生建立物理模型能力的现状研究[D].北京：首都师范大学，2011.