物理模型范文10篇

物理模型范文篇1

既然物理模型是物理学研究的重要方法和手段，物理教育和教学中对物理模型的讲述和讲授就必不可少。建立物理模型就要忽略次要因素以简化客观对象，合理简化客观对象的过程就是建立物理模型的过程。根据简化过程和角度的不同，将物理模型分为以下五类：物理对象模型、物理条件模型、物理过程模型、理想化实验和数学模型。下面我们逐个加以说明。

（一）物理对象模型——直接将具体研究对象的某些次要因素忽略掉而建立的物理模型。这种模型应用最为广泛，在初中物理教材中有许多很好的例子。例如：质点、薄透镜、光线、弹簧振子、理想电流表、理想电压表、理想电源和分子模型。作为例子，我们详细分析质点。质点，就是忽略运动物体的大小和形状而把它看成的一个有质量的几何点。其条件是在所研究的问题中，实际物体的大小和形状对本问题的研究的影响小到可以忽略。这样以来，很多类型的运动的描述就得到化简。比如所有做直线运动的物体都可以看成质点。因为作直线运动的物体的每一个部分每时每刻都做同样的运动，所以就可以忽略其大小和形状，而只找这个物体上的一个点作为概括，当然这个点的质量等于物体本身的质量。这样，直线运动物体的运动轨迹就是一条直线，很容易想象、理解和刻画。很多具体例子都可以这么做，例如以最大速度行驶在笔直铁轨上的火车，沿着航空路线飞行的客机，从比萨斜塔上下落的铁球，等等。

（二）物理条件模型——忽略研究对象所处条件的某些次要因素而形成的物理模型。在初中物理中有：光滑面、轻质杆、轻质滑轮、轻绳、轻质球、绝热容器、匀强电场和匀强磁场等。我们以轻质杆为例加以分析。比如简单机械里的杠杆，在初中阶段问题往往归结到力矩的平衡上来。即：动力×动力臂=阻力×阻力臂。动力和阻力都包括杆以外的物体对杠杆的作用力，还包括杆本身的重力。而杆重力的力臂在杆上的每一点都不同，这样除了杆的形状是几何规则的少数例子以外的绝大部分杠杆问题在初中阶段就没法解决。而轻质杆的引入正好解决了这一问题。轻质杆是忽略了自身重力的弹性杆。当外界物体对杠杆的力矩远远大于杆自身重力的力矩或者杆自身重力的力矩相互抵消时，就可以把杆当成轻质杆，杠杆受到的力矩只有外力矩，这样所有杠杆平衡问题都可以迎刃而解。

（三）物理过程模型——忽略物理过程中的某些次要因素建立的物理模型。在初中物理中有：匀速直线运动、稳恒电流等。这些物理模型都是把物理过程中的某个物理量的微小变化忽略掉，把这个物理量看成是恒定的。因为这些量的变化量与物理量本身相比太小了，以至于可以略去不计。这样不用考虑过程中物理量的复杂变化情况而只考虑恒定过程，分析问题就容易多了。

（四）理想化实验——在大量实验研究的基础上，经过逻辑推理，忽略次要因素，抓住主要特征，得到在理想条件下的物理现象和规律的科学研究方法就是理想实验。理想化方法是物理科学研究和物理学习中最基本、应用最广泛的方法。初中物理中就有一个非常著名的理想化实验：伽利略斜面实验。伽利略的斜面实验有许多，现在举其中的一个例子，同样的小球从同种材料同样高度的斜面上滑下来，在摩擦力依次减小的水平面上沿直线运动的路程依次增大。伽利略由此推知：小球在没有摩擦的水平面上永远做匀速直线运动（在理想条件下的物理现象）。牛顿又在此基础上建立了牛顿第一定律。无需多论，也足以见得理想实验的强大力量。

物理模型范文篇2

建立物理情景是建立物理模型的基础，是建立物理模型的一个重要步骤，是不可或缺的。在建立物理情景的过程中，要引导学生从物理问题中获取建立物理情景的重要信息，再对这些信息进行必要的加工整理、去伪存真的同时，引导学生积极思考问题，让学生在积极的思考中体验自己的思维经历，并在自己的脑海中留下这种思维经历的烙印。建立物理情景实际上就是将物理问题恢复还原为一个物理过程，一个物理过程可以是一个单一的物理过程，也可以是一个物理过程中包含有几个小的物理过程。在把握一个物理过程所提供的各种信息的同时，也要把握各个小的物理过程之间的相互联系和相互制约，大多数情况下这种相互联系和相互制约的连接点，就是解决物理问题的切入点。在一个物理过程中，把握住了物理问题中提供的各种信息，以及这些信息之间的相互联系和相互制约的关系，就等于把握住了建立物理模型的要点，就等于为建立物理模型铺平了道路。在建立物理情景的基础上，过渡到物理模型的建立，是培养学生形成物理思维的一种有效的方法，也是培养学生用物理方法解决实际问题能力的一种现实的、有效的、可行的途径。

物理模型(包括它的数学表达)是物理问题的高度抽象和概括，是认识主体对客观实际能动反映的一种表现，是认识主体由实践上升为理论的一个过程。物理模型不仅是典型的物理问题，也是对物理基础知识的高度概括和总结。物理模型的首要特点就是它的典型性和代表性。物理模型是从一类物理问题中，突出问题的主要属性，抓住问题的主要本质，去除干扰和次要因素，即抓住事物的主要矛盾，而忽略其次要矛盾。例如，质点的刚体模型。物理模型是集基础知识与基本规律于一体，具有代表性的物理规律的集中体现。物理模型不只是物理知识的结晶，同时也是物理思维的结晶，更是处理物理问题的一种方法，掌握好物理模型的建立，除了加深对物理概念的理解之外，还可以从物理模型的建立，理解物理知识深刻的内涵及外延，体会将物理知识用于解决实际问题的思路和逻辑方法。

物理模型不仅能简明扼要地揭示物理规律，还可以体现出物理模型和物理规律在表现形式上的完美与和谐。例如，动量定理和动能定理，前者表现了力在时间上的累积效应，后者表现了力在空间上的累积效应。力的作用效果在时间和空间上的表现是那样的完美与统一;在形式上的表现是那样的对称与和谐。从这种形式中可以体会到物理学美丽的风景，体会它在形式上的完美。物理模型是知识与思维的产物，是物理知识与能力的完美结合，体现物理模型的和谐美，体现科学思维与人文精神相互作用的伟大结果。

物理情景与物理模型的建立，可以使抽象的物理知识更贴近于现实实际生活，更贴近学生的生活经验。使学生学习物理知识能有亲切感和现实感，同时丰富物理课程的形式，特别是在新教材引入研究性学习、探索性活动的情况下，如何让学生在较少的课时内，掌握更丰富的物理知识，物理模型的教学不失为一种有效方法。抓住物理情景与物理模型的建立，将最基础、最典型的物理模型、物理问题介绍给学生，并通过建立物理情景和物理模型，将研究方法和处理物理问题的方法展示给学生，引导学生积极思考，感悟物理情景与物理模型的建立在处理物理问题时所发挥的积极、有效的作用。

物理模型范文篇3

在物理教学中的教学方法很多，而物理模型教学法可以说是其中很重要的一种方法。纵观物理学的发展史，模型方法在物理学的产生发展过程中发挥了重大的作用。物理学的发展史可以说是一个建立物理模型和用新的物理模型代替旧的物理模型的过程。物理学中的概念、规律和公式等几乎都是借助于物理模型进行抽象概括而来的。可以说，不了解和不掌握物理模型的方法，就学不好物理。

建立正确鲜明的物理模型本身就是重要的物理内容之一，它与相应的物理概念、规律现象相依托，它是物理教学的重要方法和有力的手段之一。同时了解物理模型的迁移和转化，对于物理逻辑的培养和学习能力的提高具有深远的影响，所以我们应充分重视物理教学中的物理模型教学法的作用。

下面，我们就针对在高中物理教学过程中出现的模型问题从三个方面进行讨论。

一、利用物理模型强化对物理知识的理解

在高中物理的学习中有很多容易混淆的概念和规律，我们如何区分这些知识对与我们理解和运用物理规律解决实际问题就有重要的指导作用。这里就针对力学的中的几种容易混淆的概念模型进行比较。

学生通过比较，可以很清晰地区分这些相接近的概念间的差异，在解决问题中有了明确的方向，提高了学习效率。

二、利用典型物理模型促进物理知识的学习

在高中物理学习中，单摆是一个非常典型的物理模型。学习、理解、运用单摆这一模型对于我们学习简谐振动有很重要的意义。现在，我们就来具体讨论这个问题。

1.典型物理模型的学习

在教学中设计对比实验，观察并分析实验现象，逐步建立模型。

先让学生观察下列对比实验：

（1）两个质量不同，但摆长振幅相同的单摆振动。

（2）两个摆长相同，但振幅不同（摆角都小于5度）的单摆的振动。

（3）两个摆长不同的单摆的振动。

通过这一组演示实验激发学生学习探究兴趣，形成对单摆这一理想模型的初步认识。进而展开对物理现象的分析：

（1）实验器材：轻质绳（不可伸长）、小重球（密度大）；

（2）实验的条件：小摆角（小于5度）；

（3）实验的结论：等时性（来回摆一次时间相等）。

深入分析（运用抽象、近似等方法）可以得出单摆周期T=2π。经过分析使单摆模型的物理表面与本质特征统一起来。

2.典型物理模型的迁移

在物理学习中，不仅要学习一些典型的物理模型，而且要巩固发展物理模型，将其放在一个更复杂的新环境中去加以应用，促进物理学习能力的提升。举例说明：

竖直平面内有一半径为R的光滑圆弧轨道，a、b两小球分别置于轨道圆心O点和离轨道底A点很近的B点处，如图1所示，将它们同时由静止释放，忽略空气阻力，问谁先到达A点？（此题求解的关键是对两小球建立物理模型。）

分析如下：

首先，“小球”是一模糊语言，但从题目分析来看，可将球a、b大小忽略，抽象为质点模型。

其次，由“静止释放”、“忽略空气阻力”、“A点很近的b点处”、“光滑轨道”等描述。可将a球运动转化为自由落体运动模型，而b球的运动转化为单摆模型（联想到光滑轨道对小球b支持力N相当于单摆运动过程中摆线对摆球的拉力）如图2所示。

最后，对两小球分别运用自由落体运动规律和简谐运动规律进行求解。

对典型物理模型的学习和迁移可以使我们在解决问题时能够迅速抓住问题的核心，对于我们学习物理有很大的帮助。

三、利用重要物理模型提高物理知识的学习能力

在高中物理学习的过程中，有许多重要的物理模型是我们在学习物理知识的过程中应及时总结并加以应用，这就要求我们在教学过程中有意识地对重要模型加以分析和归纳。

下面我们来讨论在高中阶段对学生解决问题有重要帮助作用的柱体微元模型。学生从单个质点牛顿力学的学习，到连续介质（流体、电荷等）问题的求解过程中，研究的对象从一个质点跃迁到无数质点组成的连续介质，也要求学生解决问题时的思维上升一个台阶，通过运用微元柱体这一物理模型可以突破这类学生感到困难的问题。

1.质量柱体微元模型

对于速度为v定向流动的密度为ρ的连续流体，可在v方向选取一横截面积为S的柱体微元，则在Δt时间内通过S截面的流体质量即为以vΔt为高、以S为底的柱体微元的质量，如图3所示。柱体微元质量表达式为：Δm=ρSvΔt。

举例说明：

人的心脏每跳一次大约输送8×1的血液，正常人血压（可看作心脏压送血液的压强）的平均值约为1.5×10Pa，心跳约每分钟70次。据此估测心脏的平均功率约为多少瓦？

分析如下：

对该问题的解决不能只停留在原有的情景上，而应将问题转换成我们熟悉的问题来解决，即通过认真读题后，把实际问题加工改造成相关的物理模型来处理。如图3所示，将心脏每跳动一次输送的那部分血液视为一长为L，横截面积为S的液柱。血液柱受到心脏的推力为F，每次心脏推动液柱前进的位移为L。由压强公式P=FS可知，心脏每跳动一次，推动血液做的功为：W=FL=PSL=PV其中V为心脏跳动一次输送血液的体积。因心脏每分钟跳动n=70次，故心脏的平均功率应为：P=nW/t=70W/t=1.4W。

2.电荷柱体微元模型

类似于质量柱体微元的建立，对于速度v定向连续移动的电荷（导体中传导电流或真空中电流），也可以在v方向选取一横截面积为S的柱体微元，则Δt时间内通过S截面的电量即为以vΔt为高、S为底面积的柱体微元中的电荷的电量。柱体微元电荷表达式为：

ΔQ=NeSvΔt。其中N为单位体积中的自由电子数，e为电子电量。

举例说明：

设导线横截面积为S，其中单位体积内的自由电子数为N。在电压作用下，自由电子定向移动速度为v。试求导线中的电流强度。

分析如下：

在Δt时间内取一段长vΔt的导线为研究对象，则在Δt时间内流过S截面的电为ΔQ=NeSvΔt由电流强度定义I=ΔQ/Δt及上式得：I=NeSv，此式即为电流强度的微观表式。

对于重要的物理模型，我们在教学过程中要让学生理解透彻，同时逐渐学会将实际问题转化为物理模型的本领，从而提高学习能力。

在高中物理教学中运用物理模型教学法，对于学生学习物理知识具有很大的指导作用，具体体现在以下几个方面。

（1）有利于学生形成清晰的物理概念。物理概念是反映物理现象和过程的本质属性的思维形式，是物理事实的抽象，这不仅是物理基础理论知识的一个重要组成部分，而且是构成物理规律和公式的理论基础，物理概念中有相当一部分是以模型的形式出现（概念模型）。它们是物理现象和事实抽象出来的，用来表征物质属性和描述物质运动状态的。学生对物理模型这个科学方法的精髓是否领会，直接影响他对有关概念的理解、掌握和运用，影响对物理知识整个大厦的构建，因为概念是构建这个大厦的基石。

（2）有利学生对物理规律的正确理解。物理规律是物理知识的骨架，是物理学的核心的内容。物理学中所总结出的反映运动变化的规律实质上就是物理模型的运动变化规律，从研究的主体对象到研究的过程无不体现模型观点和方法。物理规律的教学过程实质上是帮助学生学习物理模型，运用物理模型，有助于学生对物理规律的深刻理解，有利于学生对物理意义领会，准确把握物理规律的成立条件和适用范围。

物理模型范文篇4

1物理模型的构建模式

1．1用类比法建立物理模型

模型构建的模式有很多种，针对不同的教学内容，教师要有针对性地进行选择．用类比法来建立物理模型是一种常见的方式，这种模型构建的模式也有着很大的操作空间．有些物理现象、规律，我们无法直接展示给学生，这时若能用学生头脑中已有的物理模型来类比，则可帮助学生建立新的合理的物理模型．例如，电压和电流概念，对学生而言很抽象，这类很抽象的概念也无法通过实验来展示研究．但水压和水流学生是比较熟悉的，教学时，可用水压水流来类比，帮助学生建立电压、电流的物理模型．这种方法的效用非常直观，有了这个很贴切的类比后学生立刻能够获知电压和电流的内涵，这便能够极大地提升知识教学的成效．

1．2用虚拟法建立物理模型

物理学的研究中涉及到很多学生无法看到也无法解释的物理现象、物理概念以及相应的实物，然而，让学生对于这些内容有一个基本认知，却是学生能够掌握相关知识的重要前提．对于这类知识的教学，教师不妨采取虚拟模型的构建来帮助学生架构桥梁．有些模型在实际中是根本不存在的，但为了研究方便，可以形象地引入一个虚拟的物质结构或过程．例如，为了便于描述光的传播，引入了光线;为了便于描述磁场，引入了磁感线．这种方式在物理教学中非常常见，这也是物理模型构建的很有代表性的典范．教师要发散自身的思维，在物理模型构建中要采取多样化的方式，这样才能够发挥模型教学的更积极的效果．

1．3重视实验教学

物理是一门以观察、实验为基础的学科，要让学生多观察、多实验，这是保障学生能够充分掌握教学内容的重点．实验为物理概念和规律的建立奠定了表象基础，在学生的脑海中形成了一个个具体的物理模型．有些物理概念和规律，学生在生活中很少感知，那么在主体和认识客体间就缺少必要的中介物．例如，在讲电和磁的关系时，只有做好实验，学生才能发现、理解电生磁、磁生电、磁场对电流的作用等物理现象，并形成清晰的物理模型．这让我们意识到，重视实验的教学其实就是一个非常有效的帮助学生构建抽象的不可知实物和学生认知间桥梁的过程，这也是让学生有效获知知识要点的实质的教学方式．

2物理模式的作用分析

2．1实现教学过程的增效减负

物理模型的教学效用可以体现在很多方面，首先，它能够很好地实现增效减负的教学效果，能够为课堂教学实效的提升带来推动．物理课程中涉及到很多概念、原理以及物理学规律的讲授，不少内容都十分抽象，并且很难进行真实的模拟，这类知识也成为了物理课程的教学难点．如何能够有效突破这些教学障碍，帮助学生构建对于这些抽象的、难以呈现的知识的获知桥梁，物理模型是一个很好的途径．教师可以采取灵活的方式构建物理模型，将这些知识以模型的形式清晰直观地呈现在学生面前．它有效地揭开了很多知识的神秘面纱，让学生能够直接感受到教学内容的内核．这才是教学中增效减负的直观体现．学生对物理概念、规律的理解不深不透，说明学生头脑中的物理模型是含糊不清的．即便强行建立了概念、规律的物理模型，但在具体应用时又会感到手足无措．在应试教育盛行题海战术泛滥的氛围中，如何跳出题海，提高学习效率，正确理解与领会物理学概念、规律是核心，而这个过程中培养学生的物理模型构建能力又能够起到非常有效的帮助．学生如果具备构建物理模型的能力，在很多知识的理解上都会更加轻松，对于教学内容的实质的把握也会更加准确．这样才会避免学生对于知识要点的混淆，避免学生在知识理解与掌握上的一些误区，进而真正实现增效减负的目标，提升课堂教学综合成效．

2．2有助于学生观察力及创造力的培养

利用物理学模型还能够帮助学生观察力与创造力的培养，能够让学生的思维更加灵活．教师可以利用物理学模型来指导学生感受抽象的知识，让学生获知物理学规律和原理，在引导学生以模型构建为基础来分析各类实际问题时，其实就是学生观察力和创造力慢慢得以发挥的教学过程．随着学生模型构建能力的不断提升，教师可以让学生参与到模型构建的过程中来，可以让学生自己尝试构建一些物理学模型来辅助问题的分析，让学生在观察的基础上来充分发挥自己的想象力和创造力，构建出各种有效的模型．例如，在讲解电动机原理时，可借助小电动机模型先引导学生观察它的结构，再通电使电动机模型转动起来，引导学生观察电动机的转动方向与电流方向、磁场方向之间的关系．分析磁场对电流的作用，从而让学生理解电动机的原理．这就是一个非常好的用物理模型来解释很多知识的过程，学生透过清晰直观的观察后不仅会对于发电机的运转模式、规律有了很好的获知，学生对于电磁感应这个核心内容的掌握也会更加牢固．在平时的教学中，教师还可以在学生制作物理模型的过程中，使学生的模型构建能力得以形成，并且对于一些知识有了较好的理解与掌握后，这时学生构建物理模型的能力会明显得到增强．让学生多展开这样的锻炼过程，这不仅能够培养学生的创造力，这也会让学生的动手能力得到提升．

2．3有助于学生思维能力的有效锻炼

构建物理模型对于培养与锻炼学生的思维能力同样能够发挥非常显著的效果，这也是物理课程的教学中一个非常重要的训练目标．很多物理学知识的获取，以及各类实际问题的解答中，都对于学生思维的灵敏性以及灵活性提出了较高要求．学生如果思维能力很强，不仅对于很多知识要点会很容易吸收，在解决各类实际问题时思维也会十分敏锐，会非常轻松地化解问题．教师可以利用物理模型来慢慢实现对于学生思维能力的锻炼，这是一个很有效的展开形式．让学生以物理模型为参照来理解那些抽象的难以呈现的物理学知识时，这其实就是对于学生思维能力的锻炼．学生只有在脑海中构建物理模型和那些知识的桥梁，才能够透过模型的呈现来领会知识要点的实质，最后实现对于知识的吸收．因此，在锻炼学生思维能力时教师可以引入物理模型教学，这会起到非常直观的教学效果．例如，在讲磁场时，由于学生从没接触过“场”的概念，磁场又摸不着、看不见，学生无从感知什么是“磁场”，磁场有哪些特性?为了便于学生感知，我们可以构建物理模型，可以用碎铁屑的规则排列把磁场显示出来，让学生用眼观察，学生就能接受“磁体周围存在磁场”这一物理事实了．接着再要求学生把自己看到的碎铁屑的排列情况用笔画出来，这样磁场的模型———磁感线就被学生不知不觉地画出来了，学生也能够慢慢接受这部分知识．整个过程其实是一次非常好的对于学生思维能力的训练，在模拟磁场的过程中学生的思维也要迅速运转起来，要架构模型与知识间的桥梁．经过了这样的训练后，学生的思维能力、问题的理解与分析能力都会得到一定程度的提升．

3结束语

物理模型范文篇5

1前言随着计算机技术和人类社会经济的发展,对于纺织服装业CAD/CAM的应用要求也越来越高,二维服装CAD系统已经不能满足要求,人们迫切希望借助计算机完成一些更加实用的三维功能。若能直接将二维服装CAD系统设计的衣片,在计算机上真实地模拟出穿在人体上的效果,便可以帮助设计师直接在计算机上进行着装效果检查、服装裁剪片缝合检查等工作。这样就可大大提高服装从设计阶段到生产阶段间的效率,具有非常重要的实用价值。要通过计算机实现这一功能,有两个关键的问题必须解决:1)建立合适的织物变形模型;2)选择高效而实用的碰撞检测算法。

研究织物变形仿真的方法通常分为三类:几何的、物理的和混合的(几何和物理方法的混合)。纯几何的造型方法很难反映织物的物理特性,因此基于物理的方法研究,近年来已占据了主导地位。在织物变形物理仿真模型中[1],按比拟织物结构的方式又可分为两大类:1)离散质点型模型:比较典型的有Feynma等建立的质点网格模型、Breen等建立的粒子模型和XProvot等建立的弹簧质点模型;2)连续介质型模型:比较典型的有Terzopoulos等建立的弹性变型模型、Liling等建立的空气动力模型、Aono建立的波传播模型、Collier等建立的有限元模型等。

以上的织物变形物理仿真模型,由于其建模的原理和方法不尽相同,因此,它们适用于不同的应用场合有其各自的优缺点。

我们结合设计虚拟穿衣功能的实际,认为XProvot所建立的弹簧质点模型,模型简单,易于计算机实现,在模拟衣片复杂的动态变形过程时,能够取得比较真实的模拟效果和较快的模拟速度。

在模拟三维服装穿在人体上的真实效果时,会遇到大量的碰撞现象:衣片同人模之间以及衣片自身间的一种相互渗透和穿越。只有很好地解决了渗透和穿越的问题,才能逼真地完成虚拟穿衣的模拟过程。因此,碰撞检测是整个模拟过程的关键。碰撞检测非常耗时,最简单的碰撞检测算法是对两个碰撞体中的所有基本几何元素(通常为三角形)进行两两相交测试。

现有的碰撞检测算法大致可划分为两大类:空间分解法(spacedecomposition),和层次包围盒法(hierarchicalboundingvolumes)。前者是将整个虚拟空间划分成相等体积的小单元格,只对占据同一单元格或相邻单元格的几何对象进行相交测试。比较典型的方法有八叉树和BSP树。层次包围盒法的核心思想是利用体积略大而几何特性简单的包围盒将复杂几何对象包裹起来,在进行碰撞检测时,首先进行包围盒之间相交测试,只有包围盒相交时,才对其所包裹的对象,做进一步求交计算。在构造碰撞体的包围盒时,若引入树状层次结构,可快速剔除不发生碰撞的元素,减少大量不必要的相交测试,从而提高碰撞检测效率。比较典型的包围盒类型有沿坐标轴的包围盒AABB(axisalignedboundingboxes),包围球(sphere),方向包围盒OBB(orientedboundingbox)等。

在本文中,我们充分利用了AABB层次包围盒法的优势,同时在构建静态人模的AABB树时,又借助层次空间分解法中子空间在空间排列上的有序性和相关性的思想,将缝合衣片的相对位置同人模自身的结构信息相结合,灵活地构造人模AABB树,这样减少了需相交测试的元素,从而提高了碰撞检测的效率。

2织物的变形模型

2.1织物变形模型的描述

我们建立的织物变形模型是以XProvot的弹簧质点模型作为基础,将织物设想为一个个质点集合,质点间相互关系归结为质点间的弹簧作用。其中弹簧分为三类:结构弹簧、剪切弹簧和弯曲弹簧,具体构成如图1所示。图1织物模型离散成规则网格

1)结构弹簧:在质点Pij和Pi+1,j间,以及Pij和Pi,j+1间的弹簧为结构弹簧,结构弹簧是为了保持质点间初始状态时的距离。

2)剪切弹簧:在质点Pij和Pi+1,j+1间,以及Pi+1,j和Pi,j+1间的弹簧为剪切弹簧。剪切弹簧是为了防止织物在自身平面过渡和不真实的变形,而给织物的一个剪切刚性。3)弯曲弹簧:在质点Pij和Pi+2,j间,以及Pij和Pi,j+2间的弹簧为弯曲弹簧,弯曲弹簧是为了防止织物弯曲。2.2质点的位移在缝合衣片过程中,衣片上所有质点因受力而产生一定的位移,质点位移我们选用Nowton运动定律来描述:F外力(i,j)+F内力(i,j)=ma(i,j)其中,m是质点P(i,j)的质量。在本文中,我们假定布料是各向均质的,因此,质点的质量可由衣片总质量除以质点总数得到,a(i,j)是该点加速度,F外力(i,j)是该点所受的外力,F内力(i,j)是该点所受的内力。为了简化模型,在我们三维服装CAD系统中,只考虑两种外力:缝合力和重力。可以用以下公式来表示:F外力(i,j)=F缝合力(i,j)+F重力(i,j)

在衣片缝合过程中,为了将不同的衣片缝在一起,我们在衣片对应缝合边上加载缝合力。在模型中,缝合力被定义成对应缝合点之间距离的线性函数。对两个缝合点pi,j和qi,j间的缝合力,可以按如下公式计算:F缝合力(i,j)=CsDis(pi,j,qi,j)Npi,j-qi,j式中Cs为缝合力系数,该系数与织物的缝合性能有关,通常,较难变形的布料采用较大的缝合力系数;Dis(pi,j,qi,j)表示两缝合点pi,j和qi,j间的距离;Npi,j-qi,j表示从pi,j点指向qi,j点的单位方向矢量。为了获得较真实的仿真效果,我们在变形模型中考虑了衣片所受的重力。质点所受的重力可按如下公式计算:F重力(i,j)=mi,jg式中mi,j为质点pi,j的质量。在弹簧质点模型中,唯一考虑的弹性内力是弹簧的弹性变形力,由于采用的是理想的弹簧质点系统,可以利用胡克(Hooke)定律来计算弹簧的弹性变形力:F内力(i,j)=-∑(k,l)∈Rk(Pi,jPk,l-‖Pi,jPk,l‖0Pi,jPk,l‖Pi,jPk,l‖)其中,k是弹簧的弹性变形系数,R是P(i,j)邻点的集合,‖Pi,jPk,l‖0表示质点P(i,j)与质点P(k,l)之间的原始距离,弹簧的弹性变形系数k可以?谰菟∮弥锏牟牧闲阅懿问呷范ā?/P>

2.3织物变形模型的求解我们选择显式欧拉方法来求解织物变形模型。求解公式如下:ai,j(t+△t)=1mi,jFi,j(t)Vi,j(t+△t)=Vi,j(t)+△tai,j(t+△t)Pi,j(t+△t)=Pi,j(t)+△tVi,j(t+△t)其中,Fi,j是质点P(i,j)所受所有力的合力,mi,j(t)是质点P(i,j)的质量,ai,j(t)、Vi,j(t)和Pi,j(t)分别是质点P(i,j)在时间t的加速度,速度和位置。△t是系统选定的时间步长。

3基于AABB树层次包围盒的碰撞检测

3.1建立AABB树一个碰撞体的AABB被定义为包含该碰撞体,且边平行于坐标轴的最小六面体。因此,描述一个AABB,仅需六个标量。在构造AABB包围盒时,需沿着碰撞体局部坐标系统的轴向(X,Y,Z)来构造,所以所有的AABB包围盒具有一致的方向。

AABB树是基于AABB的二叉树,按照由上至下的递归细分方式构造生成的。在每一次递归过程中,要求取最小的AABB,需沿所选择的剖分面将碰撞体分为正负两半,并将所对应的原始几何元素(如三角面)分别归属正、负两边,整个递归过程类似于空间二叉剖分,只是每次剖分的对象是AABB,而不是空间区域。递归细分一直要进行到每一个叶子节点只包容一个原始几何元素为止,所以具有n个原始几何元素的AABB树具有n-1个非叶子节点和n个叶子节点。对于剖分面的选择,在本文中,选择垂直AABB的最长轴,且平分该轴的平面。经试验证明,这种方式,在大多数情况下的算法复杂度仅为O(nlogn),较其它的剖分面选择方法有了极大的提高。至于原始几何元素的归属则应依据几何元素的重心P在最长轴上的投影坐标。若投影坐标大于剖分面的坐标(mid),则在剖分面的正向,否则在负向,如图2所示。图2三角面归属负区域,因为其质心投影坐标小于剖分面的基准坐标

3.2AABB的相交判断AABB间的相交测试比较简单,两个AABB相交当且仅当它们在三个坐标轴上的投影区间均相交。通过投影,我们即将三维求交问题转化为一维求交问题。而对一维求交问题,我们则采用SAT(SeparatingAxesTest)[2]法。因SAT无需求交计算,只需比较两个包围盒分别在三个轴向上投影的重叠情况,即可得出相交测试结果,非常简单。现以在一个轴向上的投影情况为例说明:图3AABBs在X轴向相交判断。

设A,B为两包围盒,X为投影轴,CA,CB分别为A,B的中心点,PA,PB为点CA,CB在X上的投影。RA,RB分别为包围盒A,B在X上的投影。若RA+RB

PAPB,(如图3所示)则在轴向X上A和B不相交,反之在轴向X上A和B邻接或相53第5期高成英等:虚拟穿衣中织物模型的建立和碰撞检测的处理交。当包围盒A,B在三条轴向上的投影均相交时,则A,B相交。定义AABB的六个最大最小值分别确定了它在三个坐标轴上的投影区间,因此AABB间的相交测试最多只需六次比较运算,非常简单快速。

3.3AABB树的更新当衣片移动、旋转后,需要对AABB进行更新,根据定义AABB的6个最大最小值的组合,可以得到AABB的8个顶点,对这8个顶点进行相应的旋转和平移变化,并根据变化后的顶点计算新的AABB。当衣片发生变形时,需要重新计算AABB树中发生变形了的叶结点的AABB,再利用变形叶节点的新AABB来重新计算它们父节点的AABB。这种计算必须严格按照从下到上的方式进行。父节点AABB的具体求法为:令(Xmax1,Xmin1,Ymax1,Ymin1,Zmax1,Zmin1)和(Xmax2,Xmin2,Ymax2,Ymin2,Zmax2,Zmin2)分别是两个变形叶结点的AABB,则父结点的AABB即为(max(Xmax1,Xmax2),min(Xmin1,Xmin2),max(Ymax1,Ymax2),min(Ymin1,Ymin2),max(Zmax1,Zmax2),min(Zmin1,Zmin2),只需6次比较运算就完成一个结点的更新,其效率远远高于重新构造AABB包围盒树。

3.4基于AABB树的碰撞检测算法基于AABB树碰撞检测算法的核心是通过有效地遍历这两棵树,以确定在当前位置下,两个碰撞体的某些部分是否发生碰撞,这是一个双重递归遍历的过程。算法描述如下:step1：分别为人模和衣片构造AABB树。step2：人模的AABB树的根结点遍历衣片的AABB树。如果发现人模AABB树的根结点的包围盒与衣片AABB树内部结点的包围盒不相交，则停止向下遍历；如果遍历能到达衣片AABB树的叶节点，再用该叶节点遍历人模AABB树。如果能到达人模AABB树的叶节点，则进一步进行基本几何元素间的相交测试。step3：检测基本几何元素间是否相交。3.5自碰撞检测在衣片缝合过程中,除了衣片同人模之间的碰撞外,由于衣片的动态变形,使得衣片与衣片自身间也有碰撞现象,因此必须进行进一步的自相交检测。在系统设计中,我们利用三角形表面曲率来简化计算。当邻近三角形法线的夹角较小时,它们不可能发生碰撞,只有当夹角超过阈值,才有可能碰撞。我们为每个三角形建立它的临近三角形列表,通过判断每个三角形的所有邻近区域的三角形表面曲率,来排除大部分不可能相交的情况,从而简化了计算。

4虚拟穿衣的具体实现步骤

(1)读入二维服装CAD系统设计的衣片

(2)选择所有需要缝合衣片的对应的缝合边

(3)将二维衣片离散并形成初始的弹簧质点系统a)将衣片离散成规则四边域网格,再将四边域网格的对角线相连,形成规则三角形网格的弹簧质点系统。三角形的顶点形成质点,三角形的边形成相应的弹簧。衣片的三角化,正是为方便地建立衣片的AABB树;b)按质点间的相应关系,加入各种弹力。在离散衣片时,需特别注意的是在(2)中所选择的对应缝合边的长度一定要相等,且当衣片离散化时,在对应缝合边上的原始几何元素(这里为三角形)的个数也应相同。若在(2)中所选择的对应缝合边长度不等,或原始几何元素个数不同时,系统将需做一些预处理:将其中一条缝合边的所有信息删除,将另一条缝合边的相应信息赋给它。

(4)将衣片交互式地放置在人体模型附近的初始位置在该步骤中,首先,给每一缝合衣片赋一个别名(系统自定义的标准别名:左前片,右前片,左后片,右后片等),根据每一衣片的别名,衣片被自动地放置在人体模型附近的相应初始位置上。

(5)分别为人模和衣片建立AABB树本文中所涉及的两个碰撞体,分别为人模和衣片,其中人模在整个动态模拟过程中为静态的,因此,只需在初始化时构造一次AABB树即可。为了进一步提高碰撞检测的效率,我们在构造人模的AABB树时,应根据(4)中得到的缝合衣片别名,结合人模的几何结构,灵活构造人模的AABB树。例如:假设我们在(4)中,得到衣片分别为:左前片,右前片,左后片,右后片。我们即可知,将要缝合的为一件四片裁剪片的上衣,所以在构造人模的AABB树,我们只取人模上半身数据来构造人模的AABB,具体层次结构如图4所示。在进行人模和衣片间碰撞检测时,根据衣片的别名分别进行局部检测,(例如:左前片,就只需和人模AABB树第三层最左边的结点,左前半身的AABB进行碰撞检测)有效地减少了需要碰撞检测的元素。系统根据所缝合的衣片不同,建立的人模AABB树亦不相同。图4人模的AABB树层次结构图

(6)动态变形模型的计算根据衣片的缝合信息,我们在衣片的对应缝合边上加载缝合力。在缝合力、重力和衣片上各质点间内部弹力的共同作用下,二维衣片将逐步变形,并逐渐被缝合在一起,整个缝合过程是一个动态的迭代过程。在动态迭代过程中,要同时进行大量的人模—衣片间,及衣片—衣片间的碰撞检测处理,并给出相应碰撞响应(当有碰撞现象发生时,要重新调整碰撞点处的位置,避免发生穿越和渗透)的处理。缝合过程结束后,便可以得到缝合好的三维服装穿在静态人模上的效果。

5结束语实验证明,本文所采用的织物变形模型———弹簧质点模型,模型简单,能够较真实地反映虚拟环境下的织物特性。所采用的基于AABB的层次包围盒碰撞检测算法,除了AABB层次包围盒自身在碰撞检测上的较高性能外,算法还从以下几方面提高了碰撞的检测效率:

1)将缝合衣片的相对位置同人模自身的结构信息相结合,灵活地构造人模AABB树,减少了人模和衣片之间不可能相交元素碰撞检测的次数;

2)AABB包围盒的相交判断中,采用SAT方法进行包围盒之间的交叠判断,降低了算法的复杂度,提高算法效率。

3)衣片之间的碰撞判断,利用了每个三角形相邻区域的三角形表面曲率来简化求交判断。

物理模型范文篇6

关键词：高中物理;模型运用;教学方法

高中阶段学生必须掌握的理学基础知识是物理，它在理科生运用综合知识学习过程中起着关键作用，因此高中理科生必须有效地掌握这一门课程。高中物理学习的对象通常是需要建立模型来研究，而这些模型大多是抽象化的。因此，物理教师在教学中要注重引导学生建立、运用、分析物理模型。这不仅有利于提高学生学习物理的兴趣，积极主动地将物理中复杂的问题简单解决，还有利于学生创造思维能力的培养。

一、模型教学的含义及特征

模型教学就是教师在教学过程中，引导学生将生活和自然界中的事物相联系，并且归纳本质相同或相似的问题，然后再总结它们之间的条件、过程、处理方法、结果，在此基础上，建立一整套完整的程序，最后得出物理规律的教学。模型教学最大的特点是直观性，建立模型使得教学内容更加直观，将抽象性、概括性的知识形象化、具体化。用质点建立模型的时候，发现它的模型就是简单明了的、无大小形状的质量点。物理模型除了具有直观性，还有假定性和科学性的特点。模型的建立是在科学的基础上，对其主要内容进行归纳总结，使得内容模型化，这种模型化就是一种假设的状态。模型教学还有简洁性的特点。物理知识多且杂，在实际动手操作过程中，是复杂难懂的。因为模型是通过高度概括的，具有简单明了的特性，学生也容易接受知识、消化知识。

二、模型教学的重要性

1.模型教学有利于学生科学思维的培养。高中生要想提高物理学习水平，就要有一定的物理思维能力，正确的科学思维方法可以帮助学生具备物理思维能力，物理模型的建立正是培养学生正确科学思维方法的关键。在学生学习物理的过程中，他们只注重知识的汲取，往往忽略解题的思维方式，缺乏对不同物理思维方法有不同要求的理解，这影响到学生学习物理的效果。引导学生建立模型的过程就是学生思维方法培养的过程。2.模型教学将教学内容具体化、形象化。高中物理教材大部分的知识都是生涩难懂的，内容不仅抽象而且概括性高，学生理解起来很有难度。而物理模型的建立就是将抽象的知识转变为简单明了的模型，帮助学生理解物理情景，理顺思维渠道。教师通过模型教学，突出高中物理教材的主要节点，简化次要节点，将教学具体化、形象化，从而使学生在物理的学习过程中由繁变简、由难化易。3.模型教学可以创新学习。物理模型来源生活，最终也要回到生活中去。高中物理基本问题的基础就是建立物理模型，学生掌握物理模型，就能将知识活学活用，不断创新学习。创新学习就是打破现有知识结构，以一种新的形式重新组合知识。物理模型的建立过程就是知识迁移、重组的过程。也就是说，教师在教学过程中模型的建立有利于学生创新、迁移、重组物理知识，帮助学生轻松学物理。4.模型教学可以形成科学的预见。理想的模型建立主要就是突出事物的特点，简化或者舍去不必要因素。这可以发挥教师和学生的逻辑思维能力，在现有知识的基础上得出科学的正确结果，也可以指明研究方向，从而得出预见性的规律。比如，在平抛运动规律研究过程中，首先舍去次要因素，将问题简化成两个过程，通过曲线找到运动规律。

三、模型教学的实施方法

1.鼓励学生认识、建立模型。高中阶段是学生学习物理基础知识的阶段。在这一阶段中，教师可以让学生在学习物理的同时引导其认识模型，帮助他们在脑海中形成模型的初步印象，然后教师再指导学生利用现有的物理基础知识建立简单的模型。学生尝试模型的建立不仅有利于将所学的知识有机结合起来，检验自己掌握知识的程度，还有利于及时补充、修正其他知识点，从而提高物理学习水平。比如，在高中物理必修一《自由落体运动》中，有竖直向上抛等问题。其中有一类问题的已知条件是：物体向上做匀加速运动，速度为零后，再反向做匀加速运动，这两个过程中的加速度相同。在解读已知条件时，教师首先引导学生认识抛物线模型，再让学生思考抛物线、自由落体、力的转化、匀速运动、匀加速运动模型之间的联系。学生通过理清模型间的联系，再综合利用所学知识就能将这种类似的问题解决。教师在实际模型研究中，要注重学生模型建立的相关知识点概念是否理解，模型切入点是否合理，模型公式是否使用正确。这可以有效地检查学生在这一章节学习过程中的掌握程度，同时教师能够及时进行指导纠正。2.选择适当的模型，帮助学生解决物理问题。教师在实际物理教学过程中，模型具体化、形象化教学可以将难点、重点的知识讲授清楚，学生也能够不断巩固所学。高中物理教材中知识点涵盖范围广且杂，而其中的模型通常是高于实际的。如果教师在模型教学中不选择适当的模型，不根据学生的学习进度讲解模型，学生就不能了解建立模型的作用。因此，教师要注重选择最适合学生的模型，帮助学生快速运用模型解决实际问题。例如，在解决运动员跳水所需时间的问题中，教师就应该建立自由落体模型和抛物线模型。在模型中分两段，计算时间并相加，一是竖直向上到抛物线最高点的时间，二是最高点自由落体到水面的时间。这两种模型都涉及到抛物线、自由落体、不同运动状态下时间计算方法等知识点。因此，教师要充分了解学生对知识的掌握程度以及他们的学习进度，详略得当地讲解这两种模型，才能发挥模型建立对学生学习的作用。3.重视模型教学中建立模型的过程。模型建立的过程对学生的学习起着重大的作用。模型建立的过程是需要学生亲自参与的过程，它是学生累积知识的过程，也是学生逐渐认识物理规律的过程。因此，教师在模型的教学中，要重视学生建立模型时的动手能力、逻辑思维能力。比如，教师讲到高中物理必修二《实验：研究平抛运动》时，首先提出引人注目的，诸如炸弹的运动轨迹是曲线还是直线的问题，以此激发学生探讨的热情。再设计一个小铁球从桌面水平飞出的实验，指导学生观察运动轨迹，通过多次的实验，使学生总结出平抛运动的概念。为了有相对的比较，教师还可以设计一个气球从桌面水平飞出的实验。在多次进行实验之后，引导学生讨论小铁球和气球运动轨迹不同的原因，并指导学生分析出小铁球和气球的受力状态。学生进行激烈的讨论之后，发现这两次实验中的运动路线都是受重力和阻力的影响。这时候，教师就可以引出平抛的概念，帮助学生理解平抛是沿水平方向抛出，并且只受重力影响的运动的本质。这两个实验的设计，有利于学生结合课本平抛的概念以及参与实验的过程真正体会到平抛运动的本质，从而巩固所学知识，逐渐培养物理思维能力。

四、总结

建立、重视物理模型是目前高中教师必须实施的教学手段，这可以减轻学生学习物理的负担，使他们逐渐提高对物理的兴趣，从而培养物理思维能力，真正提高他们的物理学习水平。总之，教师在高中物理教学中，首先应认识到模型教学对学生的重大意义，其次根据学生的学习进度、学习情况选择适当的模型，最后指导学生尝试建立模型解决实际问题。

参考文献：

[1]陈胜明.高中物理教学中学生解题能力的培养.学术期刊:文理导航（下旬）,2016.8.

[2]徐亮:.建构物理模型在高中物理教学中的实践研究.学术期刊:新课程•下旬,2016.11.

物理模型范文篇7

关键词：高中物理；模型教学；模型意识；模型思想；抽象能力；实验教学

一、新形势下高中物理模型教学现状

随着素质教育的实施，模型教学中的不足逐渐浮出水面，物理教师在模型教学方面一直很难突破瓶颈，其主要原因是教师没有认识到制约学生建模能力提高的因素。制约学生建模能力提升的因素主要有以下几点。其一，学生缺乏模型意识。建模思想是高中物理教学中的重点，在高中物理教学中占据突出地位。物理学习最重要的一点就是一题多解、灵活运用知识，模型在很多物理解题过程中都可以通用，但是学生在解题过程中习惯运用公式解题，没有养成寻找模型关系的习惯，也就无法形成模型意识。其二，学生缺乏模型思想。科学的模型教学方法应该是建立在物理思想方法基础上的，而现阶段高中物理模型教学过程中缺少对学生物理思想的培养，导致学生在建模中的学习质量很难提升。这样，学生就很容易对物理模型产生畏难情绪，进而影响物理学习的兴趣，这一点必须引起教师的高度重视。其三，学生缺乏对模型的理解和运用能力。高中物理教学的目的不是让学生掌握模型，而是提高学生对模型的理解和运用能力。建模是学生学习物理的基础，学生对模型的理解不够全面和深入，就会在遇到实际问题时不能合理地运用模型来解决实际问题。

二、新形势下高中物理模型教学的策略和方法

1.培养学生的模型意识与模型思想

模型意识与模型思想的养成，可以让学生在解决实际问题的过程中事半功倍，教师对此必须有明确的认识。在解题过程中教师要尽量运用模型方法进行问题的解答，培养学生的一题多解思维与灵活运用知识的能力，培养学生的模型意识。同时，教师在物理教学过程中要帮助学生建立模型思想，如在某一道题的解题过程中，可让学生尝试将物理文字转化为图形的形式，这样可以锻炼学生养成建模思维，从而提高学生的模型解题能力。

2.培养学生对物理信息的抽象能力

在物理教学中教师应重视对学生抽象能力的培养，而物理模型的建立就是对物理知识进行抽象和概括的过程。所以，教师应锻炼学生从物理主题的相关信息和关键条件中抽象出基本物理模型，并让学生运用已有物理知识和物理模型储备解决实际问题。通过正反两面将问题进行化归，有利于学生更加顺利地解决问题。解答物理难题时，教师要树立“授人以鱼不如授人以渔”的教学理念。培养学生的模型意识与模型思想，远远比教授学生一种解题方法重要得多。

3.重视对物理模型形成过程的讲解

模型教学是物理教学的基础，为帮助学生全面掌握物理模型，教师应重视对物理模型形成过程的讲解，引导学生进行分析和构建，将模型教学生活化，帮助学生消除畏难情绪。对于理论性较强的抽象模型，学生理解起来有一定的难度。为了增强学生对模型形成过程的理解，教师可以在讲解中加入生活事例，将复杂的、理论性强的模型生活化，促进学生对物理模型的掌握与内化。这样做，不仅有利于学生在生活中不断发现与模型相关联的事件，而且可以让学生运用模型知识解决生活中的问题。建立物理模型的过程，是学生掌握物理研究方法的过程，能够培养学生运用物理思维和科学抽象方法解决实际问题的能力。

4.重视开展物理实验教学

物理实验教学可以助推物理模型的建立，因为物理实验是具体的、形象的、真实的，可以帮助学生理解物理知识。在物理实验中，教师可以让学生先从感性知识入手，再了解实验原理，对实验过程进行分析、数据处理，感受模型和实物之间的区别与联系。例如，在用伏安法测小灯泡电阻的实验中，电流表的接线方式有两种。教师可建立内接法和外接法模型，并对这两种模型进行剖析，同时引导学生仔细思考。为提高物理模型教学质量，教师还应该对传统教学方式进行改革和完善，不断创新教学方法。

三、结语

模型教学是高中物理教学中的重点和难点，它对高中生的物理学习有重要影响。教师只有让学生啃下这个“硬骨头”，学生才能建立学好高中物理的信心。教师开展模型教学的时候，应该根据物理模型的特点、规律和学生的实际水平制定科学合理的教学方式，这样才能提高物理模型教学质量，让学生具备模型意识和模型思想。

参考文献：

[1]黄国清.物理模型教学的实践研究概述[J].中学物理教学参考,2013(05).

物理模型范文篇8

关键词：物理模型；模型构建；教学策略

物理学是一门研宄自然现象和事物的科学，而事物之间有复杂的联系，这使得研宄产生了复杂性，这就要求我们对其进行科学的抽象，建立起能反映物理客体本质属性的理想模型。任何一个物理模型，都表征着对一个运动的本质描述，既标志着对运动的认识深度，也标志着对运动的概括能力，从这个意义上看，一个物理模型代表着一种物理思维。

一、高中物理模型的构建

物理模型构建与科学研究中的物理模型构建既有联系又有区别。首先两者构建主体的知识背景不同，前者是仅有中学知识水平的学生，后者是拥有丰富物理学、天文学、数学等知识功底的物理学家；其次两者构建的要求不同，前者是根据高中物理课程标准的要求设计的，后者是根据科学研宄的要求设计的；再次两者构建的目标不同，前者是为了让学生更好地认识物理基本知识和基本规律，后者是为了更深入的认识一个物理事件的本质。但从根本上说两者思维过程是一致的，都通过探宄，使用归纳、演绎、类比等思维方法，将己有物理知识进行假设、模拟，把复杂的事物进行简化、抽象构建一个能反映原型物理本质的模型，进而通过对模型的研究获取原型的信息，为形成理论建立基础。1．物理概念模型的构建。物理概念不仅是物理基础知识的重要组成部分，也是构成物理规律、建立物理公式和完善物理理论的基础与前提。物理概念是人类智慧的结晶，凝结着很高的智力价值，是培养学生思维品质、提高能力的好材料。给抽象的或复杂的物理概念建立模型，能帮助学生认识物理事物的本质，如“电场强度”概念模型的构建：通过观察与分析可知，同一个检验电荷在场源电荷0形成的电场中的不同位置所受电场力大小、方向均不同。这个电场力是同一个电场对同一个检验电荷的，所以，场源电荷周围不同位置的电场有强弱之分和方向之别。因此，要引入物理量描述这种性质一一电场强度。（1）电场强度的方向同一检验电荷在电场中不同的点所受电场力方向不同，因此，场强不仅有大小，而且有方向，是矢量。用检验电荷所受电场力的方向表征场强方向比较恰当，但是正、负检验电荷在电场中同一点所受电场力方向相反，怎样定义场强方向呢？回顾初中磁场方向的定义，小磁针AT、s极受力方向也是相反的，于是人为规定：小磁针＃极受力方向为磁场方向，这是人们的一种习惯。电场强度方向的定义也是如此，规定带正电的检验电荷所受的电场力方向为场强方向。（2）电场强度的大小据库仑定律知点电荷＾在场源电荷0形成的电场中某点所受的电场力大小一定，不同位置所受的电场力大小不同，且都与点电荷9的电荷量成正比（分析数据表略）。分析数据不难得出：放入电场中某点的试探电荷所受的电场力与试探电荷所带电荷量的比值一定，电场中不同点比值不同，此比值只与场源电荷0有关、与电场中的位置有关，而与试探电荷？无关，该比值就是该点的电场强度。2．物理原理和规律模型的构建。物理原理和规律主要包括物理事物的特征、成因及其发展变化和相互间的联系，这种模型可以让学生更深刻的认识物理现象、运动和规律，如力与运动关系模型的构建。实验探宄1：取三个相同的钢球，将其中两个球分别包裹锡箔纸和棉胶带，在斜面左侧同一高度处静止释放，观察三个小球到达右侧最高点位置。现象：⑴三个小球到达右侧最高点时高度比释放时的高度低一些；⑵普通钢球接近释放时的高度，包裹医用棉胶带的钢球最低。学生猜想：球与轨道间有摩擦，且大小不同。学生体验：感受三个钢球表面的粗糙程度，普通钢球最光滑、包裹棉胶带的钢球最粗糙。探宄结果：三个钢球释放后总是试图达到原来释放时的高度，但由于摩擦阻力的存在，它们总达不到释放时的高度，摩擦阻力越小钢球越接近释放时的高度。探宄实验2：普通钢球从左侧同一高度静止释放，减小右侧斜面与水平面间的夹角。现象：钢球接近释放时的高度，运动的时间和距离会越来越长。推论：继续减小右侧斜面与水平面间的夹角直到右侧斜面水平，再释放钢球，钢球会一直运动下去，永远停不下来。学生认识到不受力作用时物体将保持原来的运动状态不变。在这样一个探究过程中，提出问题、猜想与假设、分析论证等要素十分突出，实验所起的作用也十分明显。3．物理知识系统模型的构建。物理事物各要素之间是相互联系、相互作用、相互制约的，特别是复杂的物理事物影响因素很多，知识系统模型就是把这些影响因素进行分类、归纳，并找到它们之间的相互联系，从而进行快速、有效地整理、分析，形成全面的物理知识系统。如静电场性质模型的构建（如图1所示）。试探电荷在电场中某点所受电场力与电荷a比值图1静电场性质模型的构建形成稳固的“知识链”有利于突出知识递进关系。知识间联系越紧密，就越容易为教学提供一个比较清晰的知识线索，确保学生的学习循序渐近。高中物理理想模型能够把一些复杂的物理过程经过分解、简化、抽象为简单的、易于理解的物理过程。在构建物理模型时，必须遵循以下原则：⑴相似性：在允许的近似范围内，准确地反映物理的客观本质；⑵抽象性：在充分认识客体的前提下，总结出更深层次的理性表述；⑶可控性：以物理模型所表示的物理情景，要能进行控制下的运行及模拟。让学生更透彻的理解物理知识，有助于培养和提高学生的科学思维能力，使学生从前人的科学思维中获得收益，激发他们学习的主动性和刨造性，提高物理教学的有效性。

二、构建高中物理模型的教学策略

构建高中物理模型的教学中，应根据具体教学内容、学生情况和教学资源合理配置。1．建立正确的概念，掌握基本物理和规律。概念、原理和规律是物理学习的基础，也是构建物理模型的基础。2．熟练思维方法。在物理知识的学习过程中，经常会使用归纳、演绎、类比等思维方法，如果对这些思维方法不熟练，会严重影响学生对物理知识的学习、理解和应用，从而影响物理模型的构建。因此，对这些思维方法的训练和指导是必须的。3．落实一定数量的物理模型构建活动。模型的教育意义需要通过“建构”来实现。在模型建构活动中，往往需要进行观察或实验，需要进行归纳和演绎，需要运用己有知识进行假设、模拟、将复杂的事物进行简化、抽象出其本质属性，需要将头脑中抽象的概念具体化、形象化并身体力行。通过亲身参与这样的活动，学生在探索思考中，可以体会到模型建构的方法，获得成功的喜悦，才可能将模型方法内化为认知图式，获得认知水平上的提升。可以说，模型方法的精髓体现在建立模型的探索与发现之中，不亲身经历其中的困惑与发现，很难领悟模型方法的要领与关键。

三、使用模型应注意的问题

物理模型范文篇9

在高中物理教学中，模型一直占有重要的地位，物理学科的研究对象是自然界物质的结构和最普遍的运动形式，对于那些纷繁复杂事物的研究，首先就需要抓住其主要的特征，而舍去那些次要的因素，形成一种经过抽象概括了的理想化的“模型”，这种以模型概括复杂事物的方法，是对复杂事物的合理的简化。对模型进行深刻的研究和分析，掌握模型的基本规律后，就相当于掌握了一个模块，利用一个一个这样的模块，就可以构建复杂的物理问题，反之，复杂的物理问题也可以由此得解。因此，无论问题情景多么新颖多变、或是与日常生活密切联系的实际问题，都可以归结为学生熟悉的物理模型。比如：运动员的跳水问题是一个“竖直上抛”运动的物理模型；人体心脏收缩使血液在血管中流动可简化为一个“做功”的模型等等。由于物理模型是同类通性问题的本质体现和核心归整，长期以来，建立物理模型的方法一直是中学物理教学的重要内容之一，它对提高课堂效率、培养学生能力起到一定的作用。

教学改革是一个不断推陈出新的过程，随着形势的发展，旧的矛盾解决了，新的矛盾又会产生。新的课程标准指出，高中物理课程旨在进一步提高学生的科学素养，从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个方面培养学生，为学生终身发展、应对现代社会和未来发展的挑战奠定基础，其重点之一就是促进学生学习方式的变革。因此，高中物理教学中要实施新课程理念，必须在思想上树立“以人为本”的观念，课堂教学应该做到“化知识为德性，化理论为方法”。在新课程视野下，物理模型的教学的内容和功能也应有相应的的调整，它不能仅仅是一个传授物理知识的简单过程，更应该是一个贯穿物理思想方法的过程，教材中蕴涵的丰富的模型依然是对学生进行物理思想方法教育合适的载体，我们要重新审视物理模型的功能，开发物理模型新的功能及在新课程中的应用。

目前，在高中物理课堂教学中虽已重视了物理模型的教学作用，但许多教师还只停留在单纯地利用物理模型进行物理知识和技能的训练层面上，典型的教学模式往往是先由教师总结归纳出一些物理模型呈现给学生，让学生跟着教师的思路去理解，并辅以大量机械性训练。这样的课堂教学完全由教师主宰，忽视了学生的认知主体作用。学生往往只会识别已接触过的模型，不会辨别未遇到过的情景，更不会自己建立模型、解决问题。这造成了学生不重视构建物理模型的过程，更多的是运用形象思维方式，只记住物理模型的静态结论，生搬硬套。

本课题研究的主要现实意义就是：改变物理模型脱离学生认知规律和新课程要求的状况，把物理模型放在问题中，放到现实中，放到一定的情景中，由学生感知、体验模型的建立过程，使物理模型在课堂中灵动起来，为学生提供探索物理规律并解决物理问题的有效途径。

“模型教学”是本课题组成员在多年的教学实践中总结、创立的教学式样，是在物理课堂教学中以典型物理模型的引入、构建、应用串联高中物理主要课程内容的教学模式，它具有以下特点：打破了原先以书本知识单一线索发展的学习模式，在“物理模型”的平台上有机地综合了新课程理念下的“引导探索掌握”、“自主学习法”、“研究性学习”、“合作学习”、“实验探索”、“综合实践活动”等教学方法，通过这种综合，使物理教学凸现能力的培养、创新精神的培养，突出了物理学习中应有的体验与感悟过程，可以大大提高教学的效率。“模型教学”还有助于学生体会众多像“简谐运动”这样简单、和谐、统一、对称的，充满美的物理模型，可以激发学生的学习兴趣，加深对物理知识的理解和物理内涵的领悟。

二、国内外关于同类课题的研究综述

1、物理“模型教学”的理论基础

在国际教育改革的探索中，建构主义的理论越来越受到重视。它是认知主义中学习理论的一个重要分支，是在认知主义基础上发展而来，同时又吸收了人本主义的一些要素，成为后现代思潮中教育理论和实际教学的指导性理论，物理“模型教学”正是在建构主义理论的指导下形成的。建构主义学习理论认为，知识不是通过教师传授获得的，是学习者在一定的情景下，借助于其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资源，通过意义建构的方式获得的。

基于建构主义的“模型教学”对教和学提出了一些新的要求，例如：一是要求学生由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者；二是要求教师要由知识的传授者、灌输者转变为学生主动建构意义的帮助者、促进者；三是要求教学过程使用全新的教育思想、教学模式、教学方法、教学设计等。为了发挥学生的主动性、积极性，相应的教学设计主要围绕“学习策略”和“学习环境”两个方面进行。前者是整个教学设计的核心——通过各种学习策略激发学生去主动建构物理模型；后者则是注重模型建立的过程，强调模型的立体面，旨在提高学生的科学素质，掌握物理学主要思想方法，为学生终身学习打下基础。

2、国内同类课题研究现状

现在国内有关物理模型的研究范畴和着眼点更多地局限于单一知识板块，如发表在《中学物理教学参考》上的论文“子弹打击木块的模型及其应用”、“两个模型同一规律”、“汽车启动两个模型刍议”等等，这类研究已涉及到众多模型的建立与应用，被许多一线物理教师用来整合学科知识，大大提高了学生解决问题的效率，但各物理模型呈现出无序状态，没有形成系统，学生只是照着老师的模型去简单套用，以致出现条件一旦有所变化时无法识别模型。在总结与对比的过程中，我们逐渐确立了在他人研究的基础上完善物理模型在教学中的应用研究，建立一种扬长避短的模式——物理“模型教学”，努力做到既能发挥教师的主导作用，又能充分体现学生的认知主体作用，既注意教师的教，又注意学生的学，把教师和学生两方面的主动性和积极性都调动起来，优化教学过程和学习效果，根据物理学科的教学任务、内容、学生的具体情况，运用典型的物理模型串联教学全过程，引导学生主动学习，培养学生创新能力。

三、课题研究的预期目标和内容

（一）研究目标

1、在已结题的2003年市重点规划课题“用物理模型链接物理知识、规律和能力”研究基础上，构建串联整个高中物理的系列典型模型。

2、寻求在新课程理论指导下，运用物理“模型教学”提高物理学科教学质量，培养学生创新能力的途径和方法，总结出一套行之有效的教学模式、学习模式，为传统的课堂教学注入新的活力，培养出具有较强建模能力、创新能力、物理学习成绩优良的学生群体。

3、为青年教师提供教学实践和科研的机会，培养提高年青教师教学业务能力。

4、取得一些有价值的教科研成果，包括教师论文、高中物理模型素材、实验研究报告等。

（二）研究的内容

1、收集大量有关的素材，为模型教学设计基本能覆盖高中物理课本的课堂教学案例。选取2012级高一年级的部分班级作为实验班，有计划、有步骤地将模型贯穿于课堂教学。做好实验前的调查研究工作，积累实验过程的各种资料及总结。

2、构建“建立基本模型—重组模型—创新模型”三个教学层次，形成一套操作性较强的实践体系。

物理建模活动本身就是一项创造性的思维活动，加强对常规模型的分析、探讨和挖掘是培养学生创新能力的根本，而创造性地进行“物理模型”的迁移和应用，不断激发灵感、探索方法，是创新能力的特质；升华、建立新的模型是“模型教学”的最高目标指向。当然，在高中物理教学阶段，受学生知识和能力、身心发展的限制，课堂教学活动主要围绕前两个层次进行，对于第三个层次“创新模型”，我们会安排充足的课外活动、兴趣小组、综合实践活动加以实践。

3、挖掘物理模型的综合功能

物理“模型教学”中蕴藏着丰富的学科教学资源、物理思想和方法，通过实践开发以物理模型为平台的探索性学习、自主学习、小组合作学习等等新的学习及体验方式，为学生生动主动地学习、创新能力的培养提供良好的氛围环境。

例如：在“单摆”的教学中，教师先用“引导探索总结”方式引导学生对影响单摆物理过程的诸多因素进行分析，总结出单摆的结构特征、动力学特征、运动学特征和能量特征，建立起常用的基本模型。这个过程要组织学生对基本模型所涉及到的物理量、物理过程、物理规律、物理方法深入讨论，加深学生对牛顿第二定律、机械能守恒定律等知识及规律的认识，同时也再次应用了圆周运动的模型。在后面的教学中通过“研究性学习”辨别单摆模型在各种情景中的具体表现，使学生对此模型建立起更丰富的感性认识，对头脑中的物理模型不断进行修正和建构，使这一模型不断充实、发展和完善，从而培养学生思维的正确性和深刻性。

当然，对学生这种能力的要求并非一朝一夕就能培养出来的，“模型教学”正是把这种建模意识贯穿在教学的始终，重视思维程序的建立和训练，循序渐进地启发引导学生，使学生逐步熟悉并掌握“物理模型”这种科学研究的思维方法，养成良好的思维品质，才能使构建物理模型的意识成为学生思考问题的方法与习惯，让学生在建立模型的过程中完成知识和能力的自洽。

4、利用物理模型开发课程的隐性功能

科学对真理的追求同时也是对美和善的追求，所以物理课程也就有一定的拓展功能。利用物理模型教学可使学生在学习物理知识的同时自然而然地渗透了美育与德育。物理之美非常抽象，当我们在构建物理模型的时候，就使学生在头脑里构画了美丽的物理图景，而借助计算机模拟可以将物理模型描绘得更加直观这些图形本身就具有极高的美学价值，将这些物理之美呈现在课堂教学中就能帮助学生去发现美，欣赏美，进而去热爱美、追求美。

四、实施方法

1、学习法

新一轮高中新课程改革即将来临，作为教师，必须与时俱进，学习新的教育思想、转变观念、主动探索新的教育教学规律。

2、调查法

调查研究学生的完成初中学业后，对物理基础知识及基本方法（思维方法、研究方法、数学方法）掌握到何种程度，评估学生抽象思维的发展情况及学生建立物理模型的能力。

3、实验法

本课题在调查研究的基础上以实验法为主，探索实践有效的教学方法。

五、研究的操作步骤及人员分工

1、准备阶段（2012年7月-9月）

(1)召开相关教师座谈会,确定课题研究方向

(2)查找相关资料,收集各种信息,为课题研究提供理论依据

(3)请专家论证本课题的可行性，起草本课题的实验方案,申报课题

2、实施阶段(2012年9月-2013年7月)

(1)按计划实施本课题研究方案,边实施,边研究、边小结、边调整

(2)走出去、请进来，不断学习、取经，请专家指导，使本课题研究顺利进行

(3)定期开设观摩研讨课，推广总结本课题的经验及反思

(4)积累相关素材及资料，包括典型教学设计、优秀课堂教学录像、多媒体课件等

3、总结阶段（年7月-10月）

（1）整理归类相关资料

（2）撰写研究报告或论文

（3）邀请专家鉴定研究成果

4、人员分工：

丁萍：中学物理高级教师主持本课题的研究制定研究方案

校长助理兼教科室主任负责实验班实验任务

王莉红：中学物理二级教师承担物理模型的整理和完善工作负责物理模型课件制作

王慧萍：中学物理二级教师负责资料的收集及整理

六、课题研究的条件分析

1、初期研究成果

本课题负责人于年进行了市重点教育规划课题“用物理模型链接知识、规律和能力”的研究并取得了一定的成果，年顺利结题并获奖。在此课题中我们已调查、积累和总结学生学习过程中常遇到的问题和易错处，根据各个阶段学生的知识背景建立一系列对应的物理模型，在课题组主要成员多年教学积累的基础上系统地整理、编写出物理模型讲义一册，并在教学实践中加以应用。由于用物理模型贯穿高中物理教学全过程，链接各知识点、规律及能力，将物理知识及能力形成了一个网络，避免了以往教学中学生学习象猴子掰玉米，掰一个，掉一个，有效地帮助学生掌握了解题策略，提高了学习兴趣，培养了学生思维的能力，提高了教学的效率。

物理模型范文篇10

【关键词】高中学生；物理学习；物理模型

中学生在学习物理过程中，有时虽然在物理科目上花了不少时间，但进步不明显，甚至没有进步。从物理教师的角度来讲，虽然付出的很多，但学生成绩还是很难有较大突破。期望据此总结出有助于学生学、老师教的关于物理模型的教学方法。

一、调查对象与研究方法

1.调查对象。咸阳市实验中学高一年级160名学生，高二年级160名理科生。其中回收有效调查问卷高一年级148份，高二年级158份。2.研究方法。采用不记名问卷调查法，并对有效问卷的调查结果进行了完全统计。

二、调查结果

调查结果显示，对物理学习感兴趣的为75.5%。认为物理难学的学生合计83.6％，比“对物理学习感兴趣”的比例还要高出8.1%。也就是说尽管对物理学习感兴趣的学生，仍然会觉得物理难学。在听课过程中，能想到老师所讲题目属于哪个物理模型的学生比例为33.3%；在所记笔记中有意识记录题目所属模型及普遍方法的学习比例为36.9%；某一章节的学习之后一定会去做一个本章的主要物理模型小节的学生比例更是少到13.7%。从会做一道题，到会做一类题，认为物理模型的学习起到很大作用和有些作用的学生比例合计为93.5%；认为“物理模型”教学方法理念较好的学生比例合计为85.9%。但在“理念较好”的学生中半数以上的学生认为“实施较难”。在14—19题中列出了24个物理模型中，学生选出了认为自己对其相关特点及规律知道的很清楚的模型。其中被半数以上的学生选择的物理模型，高一、高二分别统计如下：高一：质点（71.2%）、自由落体运动（65.6%）、平抛运动（65.5%）。高二：质点（69.0%）、自由落体运动（74.7%）、平抛运动（74.1%）、点电荷（58.2%）、远距离输电（52.5%）。最后，给出了一个具体题目，让学生选出解决这个题目所涉及的物理模型。统计结果显示，选择正确的学生比例仅为33.0%。

三、物理模型教学的现状

1.学生对物理科目的态度。多数学生虽然喜欢物理科目，但是却觉得物理难学。当学生在物理科目花费了较多时间，但发现收效甚微甚至是没有效果的时候，学生对物理的兴趣得不到鼓励和强化，则渐渐会产生消极情绪，进而会影响学生学习物理科目的积极性。2.学生对物理模型的理解。物理模型的建立是为了忽略次要因素、突出问题本质，从而使实际问题便于解决，这才是物理模型意义的真谛。而学生认为物理模型只在解题方面有一定的作用，对物理模型意义的理解存在不小的偏差。3.学生在物理模型方面的学习习惯学生运用物理模型意识淡薄。在学生听课、课后复习及总结、审题几个方面中都可以看出学生没有主动了解与学习物理模型的意识，更没有运用物理模型解决问题的习惯。取而代之的是受力分析、解题过程、公式等常规思路。4.学生对物理模型教学方法的态度。绝大部分学生都认为物理模型这种方法无论对物理的学习还是解题都起到了积极作用，但却对物理模型的教学方法不抱太大的希望。5.在高中阶段涉及的物理模型中学生。的掌握情况。在所列24个物理模型中，两个年级的学生普遍认为掌握较好的合计仅有5个物理模型。而学生自己认为掌握较好的这5个模型都是在解决问题时经常会用到的。例如，在高中阶段研究物体的运动时，大多数情况下都是将物体的大小形状忽略看作质点。在多次反复运用模型的过程中，学生对相关模型的本质及特点的理解就会更清晰、透彻。6.现阶段学生建立物理模型解决实际问题能力学生通过建立物理模型来解决实际问题的能力薄弱，对物理模型方面的知识没有一定的积累。遇到具体问题不善常于发散思维，难以联想到类似的模型并将知识加以迁移应用。

四、关于物理模型教学的建议

如何提高学生建立物理模型、及利用物理模型解决问题的能力。现针对日常教学，提出以下几点建议：1.调动学生积极性，提升物理学习的兴趣。兴趣是做好一件事的根本动力，做自己感兴趣的事，一般会达到事半功倍的效果。所以我们可以通过提升学生学习物理的兴趣，来达到提升学习效果的目的。我们在日常教学中可以通过运用物理模型的教学方法，达到简化问题、增强物理课堂趣味性的作用，进而达到提升学生学习兴趣的目的。2.教师需增强物理模型教学意识。实际教学中，教师受到的束缚太多，例如要保证学生的升学率、教学任务重而课时量有限等压力，使得教师不敢大胆去尝试新教学方法，以至于使得物理模型教学没有落到实处。教学过程中最多只是对个别重要的物理模型加以讲解说明，没有系统的对物理模型进行介绍指导，从而制约了物理模型教学方法的推广。3.将物理模型教学贯穿于日常教学中，增强学生运用物理。模型的意识，提高学生建模能力把物理模型融入常规物理教学中，在适当的时候提出物理模型的知识，并对其进行归纳总结，使学生对物理知识和物理模型的掌握在日常教学中得以巩固。分析、讲解习题或解决实际物理问题时，既运用传统的教学方法加以分析，同时也要注意对物理模型知识的运用。再配合适当的练习，从而使学生在遇到实际问题时建立物理模型解决的能力得到强化。每章节学习完成后，教师更应督促学生对本章节涉及的物理模型加以归类总结，使知识得到升华。

本课题小组将对高中阶段所涉及的物理模型，尤其是调查中显示出学生掌握情况较差的物理模型，进行具体教法与学法的探讨并总结成文。期望能达到减轻教师教学负担、提高学生学习物理的效果的目的。

作者:刘颖 单位:陕西省咸阳市实验中学

参考文献：