汤守平 谢玉荣
(对外经济贸易大学附属中学 , 北京 朝阳 100102)
【摘要】本文以高中物理“电动机问题”为例，阐述如何基于模型建构进行科学推理，以达到提升学生对所学物理知识的深入理解及提升科学思维等关键能力目的。
【关键词】模型构建，问题解决，科学思维?
物理情景题与实际生活存在着密切的联系，其情境具有明显的生活化特征，但却与教材上的知识点存在着一定的距离，因此想要解决这类问题，通常都需要从情景题的题干中提取出已知条件信息，并排除其中的干扰因素，从而建立一个简单的物理模型，这样学生就能够将所学知识带入其中，最终得出正确答案。
模型建构是学生分析解决问题的一种必备关键能力，下面我们以电动机问题为例来阐述一下：如何将情景题简化为简单的物理模型，并通过科学推理解决情景中蕴含的实际物理问题。
一、实际情景中利用模型建构分析解决问题。
例题：直流电动机具有应用广泛,如矿井卷扬机、城市电车、高速电梯等。直流电动机工作原理如图1所示。电动机运转过程中线圈的自感现象及电磁辐射可忽略不计,且忽略摩擦。设电动机两端的输入电压为U,通过电动机线圈的电流为I,线圈的总电阻为R。
1.当电动机不加负载时,若其输入电压恒为U,求:
线圈由静止开始转动后尚未达到最大线速度的过程中,设任意时刻线圈中的电流为i,反电动势为E1,请根据能量守恒定律,并结合题目条件,推导得出电流i与E1的关系。
2.设想用该模型电动机竖直向上匀速V1提升质量为m的重物,请分析电动机为什么能以V1匀速稳定提升重物，若重物质量增大，还能否匀速提升？若电动机转子被卡住会怎么样？
解析1：首先引导学生将电动机的工作原理进一步简化为如图2的模型，再进一步简化为俯视图如3、4所示。
，
根据电磁感应原理，电动机通电后，导体棒中有电流，且进一步受到安培力的作用，导体棒向右运动切割磁感应线，导体棒中又会产生反电动势E1，再根据能量守恒定律可知电动机的输出功率：P出=UI-I2R，由iU-iE1=i2R，则i=
评析1：教师在教学中，在解决第一个问时，关键要引导学生审题、排除干扰因素，将电动机提升物体这样的实际情景，通过分析提取出已知的物理条件信息，从而建立一个简单的已知的物理模型，在运用所学物理知识解决问题，达到科学思维训练的目的。
解析2：电动机内部构造原理模型可简化如图5所示，当电动机接通电源后，电动机线圈受磁场施加的安培力的力矩，发生转动，而电动机带动负载工作承受一个阻力力矩，同时由于线圈切割磁感应线而产生反电动势，转子加速运动，反电动势随之会逐渐增大，由上一问结果i=可知电流会减小，会引起动力力矩随之逐渐减小，当动力力矩逐渐减小到和阻力力矩相等时，此时反电动势和电流不变，电动机稳定工作。
若如负载增大，阻力力矩增大，线圈切割磁场速度会减小，反电动势也会减小，造成电流变大，又使动力力矩增大，直到与阻力力矩再次相等，在新的条件下再次达到稳定工作。
若转子被卡住，反电动势为0，由于电动机直流电阻很小，此时电路中电流很大，相当于短路，若时间过长会烧毁电动机。
评析2：第一个问的分析过程为第二个问的解决奠定了基础，再将电动机内部构造进一步模型化，运用相关物理知识分析解决电动机为什么能稳定工作，已是水到渠成。其中将电动机内部构造简化成原理模型是解题的关键。在分析过程中提升了学生模型构建、科学推理等科学思维能力。
二、电动机问题拓展分析中的模型建构
我们知道,洛伦兹力对运动电荷不做功。那么,导体棒MN中的自由电荷所受洛伦兹力是如何在能量转化过程中起到作用的呢?请以图1“电动机”为例,通过计算分析说明。
f1'做负功,阻碍自由电荷的定向移动,宏观上表现为“反电动势”,消耗电源的电能;f2'做正功,宏观上表现为安培力做正功,使机械能增加。大量自由电荷所受洛伦兹力做功的宏观表现是将电能转化为等量的机械能,在此过程中洛伦兹力通过两个分力做功起到“传递”能量的作用。
评析3：通过电动机问题的拓展研究，进一步构建带电粒子运动的微观模型，通过推理分析深入理解电动机中的能量转化问题。
本文以电动机问题为例，分析了如何通过模型建构与科学推理、论证相结合来深入理解物理知识，同时达到提升学生关键能力的目的。
题目:论“电动机问题”分析中的模型建构