在教學中如何使學生建立物理模型

1、物理模型的重要作用，在教學中如何使學生建立物理模型。錢學森說：”模型就是通過對問題現(xiàn)象的分解，利用我們考慮得來的原理吸 收一切主要的因素，略去一切不主要的因素，所創(chuàng)造出來的一副圖畫雹具體說來：屮學物理物理學學習的內(nèi)容是：研究對象是理想化的模型；對象 經(jīng)歷的過程是理想化的；對象所在的環(huán)境也是理想化的。考慮到學生的特點和物理學科的特點物理的教學過程和學生的學習過程都 要經(jīng)過兩個必由的思維過程：直覺到邏輯和形彖到抽彖。所以我的看法是，無論 建立什么樣的教學過程模型都要解決好“直覺到邏輯”和“形象到抽象”的這兩 個問題。為了幫助學生建立物理模型，教學過程往往會經(jīng)歷以下三步繁-簡：規(guī)律 教學要講清科學家

2、是如何由繁到簡得到物理規(guī)律的；簡t繁：習題教學中耍讓 學生明了，教師在編制習題時是如何將模型對應的規(guī)律加上一系列的條件，形成 一個個物理問題的；繁-簡：通過一些的教學方式，學生要明了如何對物理問 題做分析找出問題背后的物理模型和模型對應的特定條件的。同時這個教學過程必定要把形象思維的各種操作行為放在第一位的。把畫 圖、動作、操作步驟與方法也作為一種物理學的必不可少的內(nèi)容來教。簡言 在形彖思維的平臺上教模型、條件、算法。教學過程：熱力學第一定律和能量守恒定律具有相同的實質(zhì)，表征的是能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化過程中總量不 變。既然能量只是在不停地轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化，而不會消失，我們?yōu)槭裁催€在而臨能源危機，還在 不停地

3、呼吁節(jié)約能源呢？我們今天來探討一下這個問題一一一、某些熱學過程的方向性根據(jù)初中學過的物理常識，我們知道熱傳導會在兩個冇溫差的物體間產(chǎn)生，會自發(fā)的從高溫 物休傳至低溫物休，那么，熱傳導會不會從低溫物體傳至高溫物體呢？不會。我們把這種現(xiàn) 象稱之為1 熱傳導的方向性在看另一個事實：擴散既然是分子無規(guī)則運動引起，那么，原來a容器中的氣體分子擴散 到b容器后，在自發(fā)的分離回到初始狀態(tài)在現(xiàn)實中還從來沒有發(fā)牛過，這是不可能的，這 說明_2. 擴散現(xiàn)象有方向性事實三：冇初速度的物體，在水平面上運動，總要停下來，因為摩擦生熱，機械能轉(zhuǎn)化成了 內(nèi)能；但是，由于內(nèi)能的增最一部分轉(zhuǎn)移到物體和地面，另一部分轉(zhuǎn)移到了空中

4、（通常稱之 為耗散），我們要把這部分內(nèi)能收集起來，然后通過某種機器或裝置讓它轉(zhuǎn)化成物體重新運 動的機械能，這可能嗎？答案必然是否定的。甚至人們述嘗試過，即便能夠把這部分內(nèi)能完 全收集（不散失），要使它完全轉(zhuǎn)化成機械能，也是絕對不可能的。所以，我們說，涉及到 熱現(xiàn)象的一一3. 能量轉(zhuǎn)化有方向性怎樣表征這種熱學過程的方向性呢？ 一一二、熱力學第二定律在介紹熱力學第二定律之前，先介紹相關概念一一熱機：將內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機械能的裝置。它們的主要工作原理都是利用高溫高壓的氣體或蒸汽膨 脹做功。如蒸汽機、汽輪機、燃氣輪機、內(nèi)燃機和噴氣發(fā)動機等。內(nèi)能的來源有燃料燃燒所 放出的內(nèi)能、地熱以及原了能（轉(zhuǎn)化）、太陽能（

5、轉(zhuǎn)化）等。熱機的組成必須具備三個組成 部分。其一是發(fā)熱器，它是使燃料所釋放出的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ魑镔|(zhì)（簡稱工質(zhì)）內(nèi)能的裝宣; 其二是工作部分，它是使工質(zhì)消耗內(nèi)能來做機械功的裝置；其三是冷凝器，這部分是容納工 作部分排出的廢工質(zhì)的裝置。熱機工作時，工質(zhì)從發(fā)熱器得到的熱量，只有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C 械功，其余部分都傳給了冷凝:器。由于內(nèi)能往機械能的轉(zhuǎn)化不會h發(fā)的進行，所以熱機事實上人為造就的、一種逆自然過程的 能量轉(zhuǎn)化裝置?？茖W家們對熱機的工作進行了定最的研究，令工質(zhì)從發(fā)熱器得到的熱最為qi，最后被冷凝 器帶走的熱量為q2 （最終耗散到大氣、循環(huán)水中），轉(zhuǎn)變成機械功的只是w = qi-q2 o 可不可以不設

6、置冷凝器（不帶走q2），令qi = w呢（物理語言叫熱機的效率口= = 100%）? 科學家們經(jīng)過了種種努力，發(fā)現(xiàn)這是不可能的。也就是說：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來作功，而不引起其它變化。這就是熱力學第二定律。對熱機的定量研究事實映射出這樣的信息:要將口發(fā)的熱學過程人為地逆轉(zhuǎn)，雖然是可能的, 但必須付出代價（也就是所謂的''其它變化"一一手段的代價、能量的代價）。所以，我們也可以把熱學過程的方向性就看成是是熱力學第二定律的的一種體現(xiàn)。于是,熱 力學第二定律的一種更樸實的表述是：不可能使熱量從低溫物體傳至高溫物體，而引起其它變化。我們通常把這種表述方式稱為克

7、 勞修斯表述。與z對應的，先前的一種表述被稱為開爾文表述。毫無疑問，這是為了紀念這 兩位科學家在該領域研究的突出貢獻與成就。關于克勞修斯表述，我們可以通過這樣一個事實理解：通過人為的努力，電冰箱和空調(diào)實現(xiàn) 了熱量從低溫物體往高溫物體的傳遞，但是，我們付出了手段方而的代價：購置冰箱的經(jīng)濟 代價、能雖方面的代價（持續(xù)地繳納電費），甚至付出了環(huán)境方ifli的代價一一定雖研究表明, 冰箱釋放給環(huán)境的熱最必然要多于從冷藏室吸收熱最一一和空調(diào)一樣，它能使環(huán)境升溫，是 種''損人利己的發(fā)明（這就是所謂的其它變化）。關于開爾文表述，一個反而的素材是：耍制成效率為100%的熱機是不可能的。人們也

8、把效率為100%的熱機稱為第二類永動機。前面我們已經(jīng)知道，第一啖永動機違背的是熱力學第一定律。那么，與z對應的，第二類永 動機則是違背了熱力學第二定律。在熱學過程中，有一些能量被環(huán)境吸收，無法繼續(xù)回收，我們稱為能量的耗散。 閱讀課本，了解能量耗散現(xiàn)象。熱力學第二定律這部分內(nèi)容比較抽象，學生不容易理解。在如何安排這節(jié)課的問題上，本人仔細的 研究了一下，現(xiàn)將這節(jié)課的知識框架給出，希望各位老師提出寶貴意見。首先，我先給出同學們自發(fā)過程的概念，這個雖然在課本上沒有提到,但是我認為這個概念對丁讓 同學們晴楚理解口然界中有些過程的方向件有幫助。一、自發(fā)過程的方向性自發(fā)過程：讓同學們看書總結(jié)出哪些過程是自發(fā)

9、過程，并h總結(jié)出這些過程的方向性。啟發(fā)同學總結(jié)出四種自發(fā)過程：1熱傳導的過程具有方向性實例：兩個溫度不同的物理相互接觸時，熱最會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫度物體。注意這里所說泊發(fā)地”是指沒有任何外界的影響或幫助，電冰箱工作時能將冰箱內(nèi)（溫度較低）的 熱量，傳給外界空氣（溫度較高），是因為電冰箱消耗了電能，對制冷系統(tǒng)做了功。熱傳導的過程可以向一個方向自發(fā)地進行（熱量從禹溫物休自發(fā)地傳給低溫物體）；但向和反的方向 不會口發(fā)地產(chǎn)生（熱量不會口發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體），只有借助外界的幫助才能進行。2氣體的絕熱自由膨脹的方向性氣體可以自發(fā)地向真空種自山膨脹，但是絕對不會發(fā)生相反的現(xiàn)彖：即充滿容器的氣體

10、會自發(fā)地收 縮到很小的部分，而其余體積內(nèi)都為真空。3氣體的擴散的方向性兩種不同的氣體可以口發(fā)的進入對方，最后成為-種均勻的混合氣體，但是絕不會發(fā)生相反的現(xiàn)象: 一種均勻的混合氣體會自發(fā)的分開，成為兩種氣體，除菲借助外界幫助。4機械能轉(zhuǎn)化內(nèi)能的方向性（1）通過摩擦而使熱功變熱的過程是冇方向性的。絕對不會發(fā)生相反的過程：物體h動地降低溫度 使英對外做功。（2）內(nèi)能是可以轉(zhuǎn)化為機械能的，如熱機。熱機是一種把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置。以內(nèi)燃機為例, 我們來研究熱機。它工作時，是汽缸中的氣體得到燃料燃燒的熱量2 ,推動活塞做功w ,然后排出廢氣帶走熱量由能量守恒定律知：2-十a(chǎn)。而我們定義熱機的效率為22

11、 。對于內(nèi)燃機，它在排出廢時一定會帶走一部分熱量2。故它的效率不可能達到100%。熱機必須有熱源和冷凝器，是工作物質(zhì)從熱源吸收熱雖:，其中一部分用來對外做功，同時還有一部 分熱量不能做功，而傳給了低溫的冷凝器。由于熱傳導是一個自發(fā)過程，故熱機工作時，總耍向冷凝器散 熱，不可避免地耍帶走一部分熱量鳥。所以熱機的效率不可能為100%。能不能制造一種熱機，只從單一 的熱源吸收熱量全部對外做功，而不引起其他變化呢？原因是什么？人們把這種想象中的熱機稱為第二類 永動機。人們通過各種努力來制造這種第二類永動機，但都是失敗了。最后人們發(fā)現(xiàn)這種熱機叩第二類永 動機是不可能制成的。通過上而分析，表示機械能和內(nèi)能

12、的轉(zhuǎn)化的過程是有方向性的。機械能是可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但 是內(nèi)能卻不不能全部轉(zhuǎn)化成機械能，同時不引起其他變化。總結(jié)：自發(fā)過程是冇方向性的。自發(fā)過程的方向遵從什么規(guī)律呢？二、熱力學第二定律說明自然宏觀過程進行的方向的規(guī)律叫熱力學第二定律。而熱力學第二定律冇兩種常用表述:（1）克勞修斯在1850年在研究熱機的工作原理的基礎上提出了熱力學第二定律的一種表述：不可 能使熱量從低溫物體傳遞到高溫物體，而不引起其他變化。這里的“不引起其他的變化”和泊發(fā)地”是等價 的。（2）開爾文在1851年提出了熱力學第二定律的另一種表述：不可能從單一熱源吸收熱量并把它全 部用來做功，而不引起其他變化。它也可以表述為第二

13、類永動機是不可能制成的。山于自然界的自發(fā)過程都是有聯(lián)系的，是相互依存的。描述自發(fā)過程方向性的第二定律也是等價的。熱力學第二定律揭示了有人量分子參與的宏觀過程的方向性，對于我們認識自然、利用自然有重耍 的指導意義。兩種農(nóng)述等價的證明：如果假設熱量山高溫傳向低溫的不可逆性消失了，即熱量能自動地經(jīng)過某種假想裝逢從低溫傳向高 溫。這是我們可以設計一部熱機，使它在一次循環(huán)中由高溫熱庫（熱源）吸熱2,對外做功上，向低溫這種熱機能門動進行動作,然后利用那個假想裝置使熱雖2自動地傳給高溫熱庫，而使低溫熱庫恢復原來狀態(tài)。當我們把該假想裝習與此熱機看成一個整體時，它們就能從熱庫-1 吸出熱量q-q而全部轉(zhuǎn)變?yōu)閷ν?/p>

14、做的功3,而不引起其他任何變化。這就是說，功變熱的不可逆性也 消失了。同理，反之也成立。注：（1）本人在教學過程中，一-直沒冇捉到書中給出的海水自動降溫的釋放出的熱量的利用問題， 因為本人在杳閱資料時發(fā)現(xiàn)it前已經(jīng)有利用海水溫度的差異來發(fā)電的事例，但是也耍消耗其他的形式的能 量如電能、機械能。書中并沒有耍求-定不要消耗其他形式的能量。所以為了避免使同學發(fā)生混淆，故避 開了這個問題。（2）在教學過程中為了避免學生產(chǎn)生疑問：為什么熱力學第二定律的兩種表述是等價的？所以本人在講課 的時候給出了學生證明過程，讓同學明口自然過程都是相互有聯(lián)系的。本節(jié)是機械振動一章的的重點，在本節(jié)中通過對彈簧振子這一理想模型的學習來了解簡諧運 動，困難是無論模型還是運動都是理想化的，不夠直觀,因此在設計本節(jié)課時，總體思路是將運 動肓觀化，將運動的細節(jié)展示出來,幫助學生理解，因此充分利用多媒體資源成為優(yōu)先選擇，所 以在設計本節(jié)課時以實驗演示為主，結(jié)合了 ppt課件或flash動畫,使課堂動起來，也使課堂 生動有趣，激發(fā)學生的興趣,比如說“機械振動”概念的引入?yún)枷妊菔締螖[的