巧妙构建物理模型使物理过程关键特征可视化

安徽省合肥市庐江县龙桥镇初级中学(231551) 鲍康宏

由于初中物理综合题对学生的思维能力具有一定的挑战性，特别是一些抽象的物理过程很难通过理论推理、抽象分析这一层面解决，如何巧妙构建物理模型，将综合问题实验化，在实验过程中凸显其关键特征，使核心因素可视化，提升学生的科学思维能力，加深对物理概念和规律的理解与应用，形成可能的解决问题的路径。笔者结合自己的教学实践，列举力与运动关系的典型问题和家庭电路应用题各2例进行分析。

1 构建可视化力学模型，凸显力与运动过程中的关键特征

初中物理教学中的牛顿第一定律是教学的重点知识，也是难点知识，由此得出力是改变物体运动状态原因的科学论断，这是我们在复习力与运动的关系知识点的总基调。同一条直线上物体受到的合力与物体的方向运动之间的关系如图1所示。

1.1 以蹦极运动为蓝本构建模型，在可视化实验中凸显关键特征

蹦极，是近来新起的一项很刺激的户外休闲运动。跳跃者站在很高的台上，把一根很长的弹性长绳一端固定在高台上，另一端绑在跳跃者的脚踝部，足以使跳跃者在空中享受几秒钟的“自由落体”。当人体落到离地面一定距离时，橡皮绳被拉开、绷紧、阻止人体继续下落；当人到达最低点时，弹性长绳再次收缩，人被拉起，随后又下落，这样反复运动，直到人最终静止在某一高度。出题者在考查学生分析整个过程中(若不考虑运动中空气阻力)跳跃的动能、重力势能、弹性绳的弹性势能和机械能的转化情况。关于这类物理应用题，初中生在理解上有相当大的难度，因为牵涉的能量类型较多，经常会出现顾此失彼的现象。看似是能量考查题，其实可以运用力和运动关系规律找到问题突破口。

由于蹦极运动的特殊性，不可能让学生亲身体验，要想将其整个过程在实验室“再现”却是有可能的。笔者建构简化的“蹦极”模型，在简化后的示意图中尽可能忽略次要因素，凸显其运动中如图2所示，将蹦极运动过程分为几个关键点：O点是起跳点，A点为弹性长绳自然伸直时跳跃者位置，B点为弹性绳伸长后绳上拉力与跳跃者重力大小相等位置，C点为跳跃者到达的最低位置。依据这个物理过程，笔者带领学生在实验室“重现”整个过程。

受力的重要特征，使实验过程关键特征可视化。

1.1.1 器材和制作过程

(1)量程为0～2 N的同种规格型号的演示测力计2只、铁架台2副、重0.5 N同型号钩码4块、PVC塑料板1块、A4复印纸若干。

(2)组装好2副铁架台并排放在桌面上，在其竖杆前竖立起PVC塑料板做背景墙(如图3所示)，将1只演示测力计竖直挂在一只铁架台横杆上，拆下另1只演示测力计内带挂钩的弹簧(以下称轻弹簧)，将其上端悬挂在另1铁架台横杆上，调节横杆高度，使两弹簧的指针在同一水平线上(轻弹簧用红铝片做成细长指针，醒目)。用轻弹簧模拟“蹦极”过程，完好的演示测力计起到对照作用。

1.1.2 模型组建和演示过程

(1)塑料板上标注好刻度线；①在图3中,将不挂钩码时的测力计和轻弹簧指针所对应的水平线标记在塑料板上，称为“最高点”；②分别将2个钩码加挂在测力计和轻弹簧挂钩下静止后，钩码在竖直方向受到一对平衡力作用，此时2指针所在的水平线标记在塑料板上，称为“平衡点”；③两手分别竖直向下的力拉动测力计和轻弹簧，当测力计示数为2.0 N时，2指针所在的水平线标记在塑料板上，称为“最低点”。将测力计刻度板上的刻度线复印在纸条上，竖直贴在靠右的塑料板上。其与蹦极模型对照见表1。

表1 蹦极模型和弹簧模型的对应关系

(2)演示时，用手轻托起轻弹簧下的钩码，让其在最高点与最低点两水平线之间来回振动。根据弹簧测力计工作原理可知，在一定范围内，弹簧的伸长量与所受的拉力成正比。①指针在“平衡点”时，钩码在竖直方向上受重力G和弹簧拉力F，是一对平衡力F=G；②当指针在平衡点上方时，弹簧伸长量小于在平衡点处的伸长量，弹簧拉力F1G,此时钩码向上运动为加速，向下运动为减速。

(3)在物体质量一定时，根据钩码的运动速度的变化，很容易判断出钩码的动能变化；同一弹性物体，弹性势能大小与其形变的大小有关。钩码在一个振动周期内的各个物理量的变化也就非常清楚，见表2。

表2 弹簧加挂的钩码在一个周期内振动的各个物理量的变化情况

通过构建弹簧模型，将蹦极模型与弹簧测力计受力进行对照，钩码在一个振动周期内所受合力与运动方向的关系，使整个实验过程可视化。使用这一思路同样可以轻松解决在水平面上简谐振动的弹簧推动物体的受力、速度和机械能变化情况，如图4所示。因此，通过建立模型，让学生的思维寻找到突破点，而且降低了思维的难度，充实了思维的内涵。

1.2 构建可视化模型，凸显上浮物体的关键特征

1.2.1 问题的提出

在浮沉章节复习课中，通过对浮力和重力的分析比较判断物体的浮与沉。在实验操作中，学生喜欢探究那些在液体中肯定下沉的物体(如石块、铁块等)的浮沉情况，对一些“轻质”物体的浮力大小以及浮沉情况只有在计算题中才出现。空心物体的浮力能简单得测出来吗？

1.2.2 巧妙构建模型，使上浮过程受力情况可视化

笔者根据定滑轮可以改变施力的方向的特点进行创新实验，建立模型，专门测量这些“轻质”物体的浮力大小。

如图5所示，将定滑轮的外框用支架固定在容器靠下侧内壁，用细线系好物重为G的空心物体，绕过定滑轮，向容器注水，细线另一端用弹簧测力计沿竖直方向向上缓慢拉动，发现测力计示数(记为F拉)开始增大，物块浸没后示数不变，空心物体一直受到竖直向上浮力为F浮，竖直向下重力为G、细线对物体拉力为T,根据定滑轮不省力，只改变施力方向的特点，有F拉=T，因此，空心物体在三力作用下处于平衡状态，得出：F浮=G+T=G+F拉。因此，实验探究中只要读取绕在滑轮的测力计对浸在液体中的空心物体的拉力和物体的重力，就能计算出其受到的浮力大小。

由逆向思维可知：假设物块在液体深处时，突然撤走测力计的拉力(如用剪刀剪断测力计下的细线)，则T=0。此时，浸没在水下的物块受到竖直向上浮力F浮和重力G，由于F浮>G，物块受到的合力竖直向上，物块加速上升；当物块露出液面时，物块排开液体的体积减小，浮力也随之减小，直至浮力等于重力时，物块运动速度最大，继续上浮至最高点，然后来回振动几次后静止，处于漂浮状态。通过模型组件，能将空心物体在液体任何深度受到的浮力量化，建立浮力随浸入液体深度的函数图像，如图6所示，使实验过程可视化。

2 构建可视化家庭电路模型，凸显实验过程的关键特征

2.1 建构模型，凸显动态电路的可视化

电学测试题：傍晚用电高峰时，家里的电灯较暗，而在深夜时开灯却比较亮，请你解释其中的道理。教师在对待这样的应用题，首选是运用串并联电路规律和欧姆定律进行理论分析，关键因素很难形象化，学生难以理解。笔者从学生的认知规律出发，运用数字电流表和数字电压表组装家庭电路模型进行探究。

表3 模型图中的开关依次闭合时的电流表和电压表的示数和等效阻值

(3)在6只灯泡同时接通时，其等效电路如图7中虚线框所示，记为R总，此时，整个电路可以看成输电线R线和家庭总负载R总串联。由U=IR得，输电线上分得电压增加，家庭负载分得电压减少。所以灯泡实际电压低于额定电压，也就是傍晚用户电器使用数目多，家里的电灯较暗；反之，深夜时家庭电器使用数目减少，家庭总负载R总增大，灯泡的实际电压增大，亮度增大。

2.2 添加故障因子，自制模型探究零火线通断的检查

图8中的家庭电路故障题，是初中学生常遇到的。教师虽然进行理论分析，学生仍是云遮雾绕的。笔者首先组装电路模型，再将模型电路接入家庭电路中，特意在火线和零线电路中分别接入开关S1、S2(分别在各自电线的任意一位置)，分别讨论火线、零线上该位置的通与断和灯丝通断的各种情况下,测电笔氖管是否发光。

表4 火、零线通断和灯丝通断各种情况下测电笔氖管的发光情况

通过以上各种情况下的探究发现：①灯丝完好的情况下，只要火线某处断开，从断点到灯泡直至零线对地电压为0，测电笔氖管都不发光(与零线、灯丝是否断开无关)；②灯丝完好的情况下，若只有零线断开，则从断点到灯泡直至火线，测电笔氖管都发光，其余部分氖管不发光；③电线完好的情况下，若只有灯丝断开，则从灯泡螺旋套到零线电路所有部分测电笔氖管均不发光，其余部分氖管发光。由逆向思维可以根据氖管发光判断电路通断，家庭电路故障判断也一目了然。

3 结束语

模型是智慧的结晶，模型也是打开未知世界的钥匙。针对初中学生以形象思维为主，并且正在向抽象思维过渡的认知特征，建构科学模型是处理物理问题的基本方法，教师一定要善于在模型建构的过程中对具体物理问题进行分步拆解分析。使复杂问题简单化、生活化；抽象问题可视化、具体化。调动学生的各种感官，在可视化模型建构过程的创新探究实验中凸显知识的关键特征，突出实质性的核心内容，既可以降低思维的台阶，也能消除学生对物理学习的畏难情绪，培养学生融会贯通的能力，激发学生解决问题的强烈愿望。