单位文秘网 2021-07-23 08:08:16 点击: 次
高中学生对学习物理的大至感觉是:书本一看都会,上课一听都懂,考试一做便错。长此以往,对物理这门课就有一种无名的畏惧感。作为一名高中物理教师,就要想办法帮学生走出困境、渡过难关,尽可能在平时教学中培养学生学习物理的兴趣,增强学生学好物理的自信心,特别是培养学生的理解能力,进而掌握解决问题的方法。庄子说:“判天地之美,析万物之理”。学习物理重在“析物之理”。笔者在长期的教学中就是凭着这种理念探索出了一套行之有效的方法,即帮学生构建基本的物理模型,让学生成为持有利剑而心有剑法的“剑客”,能够手持“模型剑”而“独步天下”。
一、力学基本模型
1.“质点”模型:质点是研究物体机械运动时引入的理想化模型,此模型可用于研究各种各样有形状和大小,但大小和形状可以忽略不计的物体的运动,在研究多种体育运动、天体运动等规律时都可用此模型,有助于使复杂问题简单化。
2.“轻绳、轻杆、轻质弹簧”模型:教学过程中要讲清这三种模型的异同点。比如:轻杆对物体的弹力不一定沿杆的方向,轻绳弹力只能沿绳收缩的方向,弹簧在具体问题中可能处于伸长或压缩状态等。如何在匀速直线和匀变速直线运动中运用它们;在竖直平面内圆周运动中如何用好“轻绳—小球”和“轻杆—小球”模型解临界问题;“绳子打结或绳上挂滑轮”与力的合成和分解等知识结合起来解决动态平衡问题;“三角形、半圆形支架”模型结合力的三角形法则用极值法解决力学问题;在功能关系中特别是机械能守恒定律中如何处理弹簧问题等,不胜枚举。
3.“传送带”模型:水平和倾斜放置的传送带,在教学中可以综合解决静摩擦力、滑动摩擦力、功和能及摩擦生热等问题。
例题:传送带装置示意如图1,其中传送带经过AB区域时是水平的,经过BC区域时变为圆弧形(圆弧由光滑模板形成,未画出),经过CD区域时是倾斜的,AB和CD都与BC相切。现将大量的质量均为m的小货箱一个一个在A处放到传送带上,放置时初速为零,经传送带运送到D处,D和A的高度差为h。稳定工作时传送带速度不变,CD段上各箱等距排列,相邻两箱的距离为L。每个箱子在A处投放后,在到达B之前已经相对于传送带静止,且以后也不再滑动(忽略经BC段时的微小滑动)。已知在一段相当长的时间 T 内,共运送小货箱的数目为N。这装置由电动机带动,传送带与轮子间无相对滑动,不计轮轴处的摩擦。求电动机的平均输出功率P。
解析:以地面为参考系,设传送带的运动速度为v0 ,在水平段运输的过程中,小货箱先在滑动摩擦力作用下做匀加速运动,设这段路程为s,所用时间为t,加速度为a,则对小箱有:s=1/2 v0 t
在这段时间内,传送带运动的路程为:S0 =v0t
由以上可得:S0=2S
用f 表示小箱与传送带之间的滑动摩擦力,则传送带对小箱做功为A=1/2·mv0 2
传送带克服小箱对它的摩擦力做功A0 =f S0 =2×1/2·mv0 2
两者之差就是摩擦力做功发出的热量Q=1/2·mv02
可见,在小箱加速运动过程中,小箱获得的动能与发热量相等。
Q=1/2·mv0 2
T时间内,电动机输出的功为:W=PT
此功用于增加小箱的动能、势能以及克服摩擦力发热,即:W=N·[ 1/2·mv0 2+mgh+Q ]= N· [ mv0 2+mgh]
已知相邻两小箱的距离为L,所以
V0T=NLv0=NL / T
联立,得:
4.“斜面”模型:除可以解决摩擦力问题外,还可以在力的平衡及牛顿运动定律应用中大显身手,学生弄清这个模型对他们学习力学绝对大有帮助。
例题:如图2所示,质量为m的物体置于倾角为θ=37°固定斜面上,对物体施以平行于斜面向上的拉力F时物体仍处于静止状态,试分析物体受到的摩擦力。
分析:力F作用时物体的运动趋势有三种可能性:必须给学生分析清楚,然后可以把拉力改成推力,再改成弹簧,使学生举一反三;这个模型还可以变式成让物体在斜面上加速上滑或加速下滑。
二、运动学基本模型
1.“抛体运动”模型:包括自由下落、竖直上抛、竖直下抛、平抛、类平抛运动等,在学习牛顿运动定律、动能定理、机械能守恒定律等内容时要全面涉猎,突出重点。
2.“地球——卫星和双星”模型:讲解天体运动圆心、半径、向心力、向心加速度、宇宙速度以及同步轨道卫星等相关物理量的计算时要用好此模型。
3.“人船”模型、“滑块——木板”模型、“子弹打木块”模型:在动量守恒定律、能量守恒定律的应用中有大文章可做,一定要多花时间和精力去训练、突破和提高;特别是“滑块——木板”模型、“子弹打木块”模型在摩擦生热、能量守恒、运动的临界问题中更是重中之重。
例题:如图3所示,一个长为L,质量为M的长方形木块,静止在光滑水平面上,一个质量为m的物块(可视为质点),以水平初速度v0,从木块的左端滑向另一端,设物块与木块间的动摩擦因数为ц,当物块与木块达到相对静止时,物块仍在长木块上,求系统机械能转化成内能的量Q。
点拨:系统内一对滑动摩擦力做功之和(净功)为负值,在数值上等于滑动摩擦力与相对位移的乘积,其绝对值等于系统机械能的减少量,即系统机械能转化为系统的内能,记为 掌握了它可使许多计算简化。
4.“爆炸反冲、弹性球碰撞、小球——弹簧——小球”模型:在动量守恒定律、能量守恒定律应用中要进行专题讲解,让学生能对此类模型进行变式迁移,力争做到举一反三、融会贯通。
5.“单摆、复摆”模型:解决简谐运动、圆周运动中的力和能问题;用对称法、图像法处理问题也经常用到它们。
例题:如图4所示,单摆摆球的质量为m,做简谐运动的周期为T,摆球从最大位移A处由静止开始释放,摆球运动到最低点B时的速度为v,则()
A.摆球从A运动到B的过程中重力做的功为
B.摆球从A运动到B的过程中重力的平均功率为
C.摆球运动到B时重力的瞬时功率是mgv
D.摆球从A运动到B的过程中合力的冲量为mv
答案是AD。分析:某个力的功率应用力乘以力方向上的速度,重力做功与路径无关只与高度差有关。由动量定理,合外力的冲量等于物体动量的改变量。
此题研究的角度为动量与能量,解题时无须对过程变化的细节深入研究,更关心物体或系统动量与能量的变化量及引起变化的原因。
另外,运动学基本模型中还有“弹簧振子”模型,包括:水平放置的弹簧振子、竖直方向正放和倒放的弹簧振子,它们在牛顿运动定律、简谐振动等问题都有应用;台式弹簧秤、挂式弹簧秤或者斜面在升降机内随之运动,可以研究超重与失重现象;“横波”模型:解决波动图像与振动图像的区别和联系;打点计时器打出的“纸带” 模型:可以形象直观地处理匀速直线运动、匀变速直线运动、自由落体运动等问题。
三、电磁学基本模型
1.“点电荷、线电荷、面电荷”模型:在处理电场强度及其叠加问题时必不可少。
2.“限流与分压器”模型:在电学实验的电路设计这一块,必须要使学生清楚限流接法与分压接法的区别和主要用途;在分析串、并联电路规律及闭合电路的欧姆定律以及电功、电功率等知识的实际应用时要灵活使用此模型。
3.“混联电路”模型:将此模型与闭合电路欧姆定律及“分—总—分”法结合,处理电路中电流、电压、功率的动态变化和电路的能耗、故障分析等问题。
4.“远距离输电和升、降压变压器组合”模型:解决理想变压器的三个制约关系和输电线路能量损耗以及电功率的分配问题。
5.“磁流体发电机、电磁流量计、速度选择器、回旋加速器”模型:处理带电粒子在电磁场中的受力平衡与电磁偏转以及能量转化和守恒的应用问题。
例题:如图5所示,粒子经加速电场后得到一定的速度v0,进入正交的电场和磁场,受到的电场力与洛伦兹力方向相反,若使粒子沿直线从右边孔中出去,则有qv0B=qE,v0=E/B,若v= v0=E/B,粒子做直线运动,与粒子电量、电性、质量无关。
若v 若v>E/B,洛伦兹力大,粒子向磁场力方向偏,电场力做负功,动能减少。 带电粒子进入相互垂直的匀强电场和匀强磁场区域,则它的速度V=E/B,这个区域就是速度选择器,且速度选择器对进入该区域的粒子所带电荷的符号无关,只要是具有相同的速度的带电粒子均能沿直线通过这一区域,但是有一点必须明确的是:速度选择器的进口与出口的位置不具有互换性。 6.电磁场中的“单杆、双杆、线圈”组合模型:棒与电阻、棒与电容、棒与电感、棒与弹簧组合;平面导轨、竖直导轨、倾斜导轨与单杆或双杆模型的组合解决电磁感应与力学综合问题。 例题:如图6,光滑斜面的倾角α= 30°,在斜面上放置一矩形线框abcd,ab边的边长l1 = l m,bc边的边长l2= 0.6 m,线框的质量m = 1 kg,电阻R = 0.1Ω,线框通过细线与重物相连,重物质量M = 2 kg,斜面上ef线(ef∥gh)的右方有垂直斜面向上的匀强磁场,磁感应强度B = 0.5 T,如果线框从静止开始运动,进入磁场最初一段时间是匀速的,ef线和gh的距离s = 11.4 m,(取g = 10.4m/s2),求: (1)线框进入磁场前重物M的加速度; (2)线框进入磁场时匀速运动的速度v; (3)ab边由静止开始到运动到gh线处所用的时间t; (4)ab边运动到gh线处的速度大小和在线框由静止开始到运动到gh线的整个过程中产生的焦耳热。 此题考查的知识点主要有牛顿定律、物体平衡条件、法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律、安培力、运动学公式、能量守恒定律等。重点考查根据题述的物理情景综合运用知识能力、分析推理能力、运用数学知识解决物理问题的能力。 7.“匀强电场、匀强磁场及复合场”模型:处理基本粒子和带电小球、带电微粒的运动问题。 其他综合应用模型如:“理想气体”模型、“能级” 模型、“全过程”模型等,在这里就不一一列举了。总之,只要教师持之以恒地将物理模型贯穿于教学过程的始终,不断地培养学生的悟性,时间久了,学生就会谙熟于心,最后就完全可以不再用“模型剑”,达到无剑似有剑的最高境界,这时就一定会感觉到学习物理的乐趣。 ■
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