构建物理模型解决物理问题

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  高中物理研究的对象、过程都可以看作是理想化的物理模型,诸如:质点、单摆、理想气体、匀强磁场、理想电表、平抛运动、弹性碰撞、匀(变)速直线运动、圆周运动、自由落体运动等.因此,在进行实际物理问题的分析和解答中,构建物理模型,忽略试题中的无关信息,抓住问题的本质是高效解题的关键.通过物理模型的应用,可以激发学生的兴趣,极大提高学生对各种物理复杂问题的分析和解决能力.
  一、对象模型在高中物理解题中的应用
  对象模型是高中物理解题中常常接触到的模型,物理问题的分析和解决过程其实就是物理模型的构建过程,正确分析、判断和构建模型对于解决物理问题具有事半功倍的效果.
  例1 在光滑弧形槽MAN的中点A上方高h处固定有一个小球B,如图所示,弧形槽的半径R要远大于圆弧MN,一个小球静止在弧形槽的左端M点,如果同时释放小球B和小球C,两小球恰好能在A点发生碰撞,求B球释放时候的高度h.
  分析:同时释放小球B和C后,B球做自由落体运动,而C球的运动时间通过运动学和几何知识比较不容易求出,通过对弧形槽的观察和题给条件R要远大于圆弧MN,可以将小球C的运动看做是摆长为R的单摆运动,构建单摆模型,这样小球C到A点的时间为单摆四分之一周期的奇数倍,从而构建出小球B和小球C运动的方程组,有效求出B球所在的高度h.
  解:对于B球:h=12gt2B,对于C球:tA=(2n 1)T4,(n=0,1,2…).
  要使小球B与小球C能够在A点相碰,tA=tB.
  联立解得:h=(2n 1)2π2R8,(n=0,1,2…).
  本题的关键是将小球C的运动看做一个单摆模型,通过单摆周期来计算小球C到达A点所用的时间,问题就迎刃而解了.
  二、过程模型在高中物理解题中的应用
  过程模型一般是模拟物体的变化状态,体现物体在变化过程中的功能转化,通过过程模型的应用,可以省略不必要的运动环节或是重复环节,直接将物体运动的时间、速度、功能、位移等建立起对应的关系,从而简化物理分析和计算过程,提高解题效率.
  例2 跳绳是一种男女老少皆宜的运动,已知一位初学者的体重为50千克,平均每分钟可以跳180次,假设他在跳绳的过程中,每次跳跃的高度都一致,一次跳跃有35的时间脱离地面,25的时间双脚在地上,那么求这位跳绳运动者在跳绳的过程中,身体克服重力做功的平均功率.(g=10m·s-2)
  分析:跳绳者在腾空的过程中达到最高点以后,做自由落体运动,身体克服重力所做的功等于最高点时身体重力势能的增加量,因此,求出运动中每次跳绳过程中上升的最高点h,就可以构建出一个连续竖直上抛、自由落体的功能模型,从而解决问题.
  解:根据竖直上抛的运动模型,跳绳过程中上升的最高点h=12gt2,
  时间t=60180×35×12,
  由此得出t=0.1s.
  则克服重力做功W=mgh=25J,P=WT=2560/180=75W.
  本題的关键是将跳绳过程中,人向上运动克服重力做功的过程看做是一个竖直上抛模型,从而构建出持续的功能模型,分析并解决问题.
  总而言之,理想化的高中物理模型是研究物理问题的基础.教师要引导学生通过试题的已知条件,忽略试题的干扰和无效条件,根据试题所描述的物体运动或做功状态,对应地构建起相应的物理单一模型或是多模型的组合,然后运用模型进行具体问题的分析和解决.这样既能够提高学生的兴趣,也能够让学生掌握物理解题的方法,提高学生的学习效率,在考试中取得好成绩.
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