物理建模教练

SKILL.md

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name: xiaozhi-physics-modeling-coach
display_name: 📐 物理建模教练
version: 1.0.0
author: 小智伴学
category: 物理专项
tags: [物理, 建模, 物理模型, 现象识别, 数学表达, 模型迁移]
description: >
  从"套公式"到"建模型"——物理学习的关键跨越。核心方法：物理建模三步法
  （识别现象→选择模型→数学表达）。五大核心模型覆盖初中物理80%的建模场景，
  训练学生从"看到题就套公式"变成"先判断物理模型再列式"。
compatibility: OpenClaw / ClawHub
depends_on: xiaozhi-learning-dna, xiaozhi-physics-error-dna
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# 📐 物理建模教练 SKILL

> **一句话定位：** 套公式的人做一道是一道——
> 建模型的人做一道顶三道，
> 因为同一道题换三种情境，模型不变。

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## 一、核心使命

**"套公式"vs"建模型"的区别：**

```
套公式思维：
  看到题目 → 搜索记忆中的公式 → 代入数字 → 算出答案
  问题：题目稍微变形就不会了，因为公式和题目绑死了

建模型思维：
  看到题目 → 识别物理现象 → 选择物理模型 → 用数学表达模型
  优势：同一模型适用于不同情境，一通百通
```

**这个SKILL解决的问题：**

```
不会建模 → 识别现象 → 选择模型 → 数学表达 → 模型迁移
              ↑
         从"这道题用F=ma"到"这是力学平衡模型"
         从记住公式到理解模型
```

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## 二、物理建模三步法

### Step 1：识别现象

**把文字描述翻译成物理语言——"这道题描述了什么物理过程？"**

```text
识别现象三问：
  ① 题目中有哪些物体？
  ② 这些物体在做什么？（运动/静止/形变/发热/发光...）
  ③ 有什么变化发生？（速度变化/温度变化/电路状态变化...）

识别不出来时：
  "别急着列公式。先用你自己的话说说，
   这道题描述了什么物理过程？
   你看到了什么现象？"

常见困难：
  - 看不出是哪个物理过程 → 退回读题画图（联动物理解题教练Step 1）
  - 说不清什么在变化 → 提示"找变化量"——什么量在变？什么量不变？
```

### Step 2：选择模型

**从五大核心模型中选择——"这个现象属于哪类物理模型？"**

```text
模型识别决策树：

现象涉及力与运动
├── 物体受力平衡（静止/匀速）→ 力学平衡模型
├── 物体受力不平衡（加速/减速）→ 匀变速运动模型
└── 涉及碰撞/撞击 → 碰撞动量模型

现象涉及电路
├── 分析电流/电压/电阻关系 → 电路分析模型
└── 涉及能量转换 → 能量守恒模型

现象涉及能量转化
├── 动能↔势能 / 电能↔热能 / 机械能↔内能 → 能量守恒模型

无法归类
└── "这道题涉及几个物理过程？能不能拆开来看？"
```

### Step 3：数学表达

**用数学语言描述模型——"模型告诉你哪些量有关系？"**

```text
从模型到方程三步：
  ① 写出模型的核心关系式（先写符号形式）
  ② 代入已知量（注意单位统一）
  ③ 求解未知量

列不出方程时：
  "你选了[模型名称]，这个模型的核心关系是什么？"
  "模型告诉你[物理量A]和[物理量B]有什么关系？"
  "把这个关系写成数学表达式。"
```

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## 三、五大核心模型

### 模型一：匀变速直线运动模型

```text
适用条件：
  物体做直线运动，加速度恒定

核心关系：
  v = v₀ + at
  s = v₀t + ½at²
  v² = v₀² + 2as

建模流程：
  ① 画运动过程图（标出初速度、末速度、加速度方向）
  ② 选择正方向（通常取初速度方向为正）
  ③ 列运动学方程

常见变形情境：
  - 自由落体（v₀=0, a=g）
  - 竖直上抛（a=-g）
  - 刹车问题（末速度v=0）
  - 追及问题（两物体同向运动）

常见错误：
  → 加速度方向搞反（减速时a取负值）
  → 多段运动没分段处理
```

### 模型二：力学平衡模型

```text
适用条件：
  物体静止或匀速直线运动

核心关系：
  合力为零：F合 = 0
  即：ΣFx = 0, ΣFy = 0

建模流程：
  ① 画受力分析图
  ② 建立坐标系（选择使分解最少的方向为轴）
  ③ 列平衡方程

常见变形情境：
  - 悬挂问题（绳子拉力+重力平衡）
  - 斜面问题（重力分解为沿斜面和垂直斜面两个分力）
  - 杠杆问题（力矩平衡：F₁L₁ = F₂L₂）
  - 浮力问题（浮力+重力平衡）

常见错误：
  → 漏画某个力（最常见的力：摩擦力）
  → 力的分解方向选错
```

### 模型三：碰撞动量模型

```text
适用条件：
  两个物体碰撞/相互作用，系统不受外力或外力远小于内力

核心关系：
  动量守恒：m₁v₁ + m₂v₂ = m₁v₁' + m₂v₂'
  能量判断：碰撞后总动能≤碰撞前总动能

建模流程：
  ① 确定系统和过程（碰撞前后两个状态）
  ② 判断动量是否守恒（系统不受外力/外力可忽略）
  ③ 列动量守恒方程
  ④ 判断碰撞类型（弹性/非弹性）

初中简化版：
  → 初中不考动量守恒定律，但"碰撞"的思维方式仍然重要
  → 重点训练：碰撞前后的状态分析（联动物理解题教练画图景）
```

### 模型四：电路分析模型

```text
适用条件：
  电路问题，涉及电流/电压/电阻/功率

核心关系：
  欧姆定律：I = U/R
  串联：I相同, U=U₁+U₂, R=R₁+R₂
  并联：U相同, I=I₁+I₂, 1/R=1/R₁+1/R₂
  电功率：P = UI = I²R = U²/R

建模流程：
  ① 画等效电路图（每个开关状态画一张）
  ② 识别串并联结构
  ③ 标注已知量和未知量
  ④ 选择规律列方程

常见变形情境：
  - 开关通断（电路结构变化，需要分状态分析）
  - 滑动变阻器（阻值连续变化，需要找极值）
  - 多用电器组合（功率分配问题）

常见错误：
  → 开关状态变化后没重新分析电路结构
  → 混淆额定功率和实际功率
```

### 模型五：能量守恒模型

```text
适用条件：
  涉及不同形式能量之间的转化

核心关系：
  能量守恒：E初 = E末 + 损失
  机械能守恒（无摩擦时）：E动能 + E势能 = 常数
  电能守恒：W电 = W热 + W光 + W机械

建模流程：
  ① 列出所有能量形式（初态有哪些能？末态有哪些能？）
  ② 画出能量转化路径图
  ③ 列能量守恒方程

常见变形情境：
  - 自由落体（重力势能→动能）
  - 摩擦做功（机械能→内能）
  - 电热器（电能→内能）
  - 电动机（电能→机械能+内能）

常见错误：
  → 遗漏某种能量转化（特别是摩擦生热）
  → 电能不等于电热（非纯电阻电路中W电≠Q）
```

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## 四、建模卡壳诊断

### 三种卡壳类型

```text
卡壳类型①：现象识别不出来
  表现："我不知道这道题在说什么"
  诊断：图景建立能力不足
  处理：退回读题画图（联动物理解题教练Step 1）
  追问："你看到了什么物体？它们在做什么？"

卡壳类型②：模型选错
  表现："我选了匀变速模型但列不出方程"
  诊断：对模型适用条件不熟悉
  处理：回到模型选择决策树
  追问："物体受力平衡吗？加速度是恒定的吗？这个模型的条件满足吗？"

卡壳类型③：数学表达列不出
  表现："我知道是力学平衡模型，但列不出方程"
  诊断：物理语言→数学语言的转化能力不足
  处理：引导写出核心关系式
  追问："力学平衡模型告诉你什么？合力为零。
         你画了几个力？分别写出它们的x和y分量。"
```

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## 五、模型迁移训练

### 核心方法：同模型不同情境

```text
训练目标：
  让学生发现"不同情境下的题目，如果物理模型相同，
  解题方法是相通的"

训练方式：
  给3道不同情境但同模型的题，让学生先判断模型类型再解题

示例（能量守恒模型）：
  题目1：自由落体——重力势能→动能
  题目2：电热水器——电能→内能
  题目3：电动机——电能→机械能+内能

追问序列：
  "这三道题看起来完全不同，但它们有一个共同点——你能发现吗？"
  → 引导发现：都是能量从一个形式转化为另一个形式
  "所以它们的解题思路有什么共同点？"
  → 引导发现：都列能量守恒方程，只是具体形式不同
```

### 跨模型综合题的建模策略

```text
遇到综合题时：
  ① 先判断：涉及几个物理过程？
  ② 再拆解：每个过程用什么模型？
  ③ 找衔接：前一个过程的末状态 = 后一个过程的初状态
  ④ 分别建模：每个过程独立列方程
  ⑤ 联立求解：用衔接条件连接

示例：物体从斜面滑下后进入水平面
  过程1（斜面上）：匀变速运动模型
  过程2（水平面上）：力学平衡模型（匀速）或匀减速运动模型（有摩擦）
  衔接点：斜面底部的速度 = 水平面上的初速度
```

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## 六、与其他SKILL的协作

```text
物理建模教练
    ← 物理解题教练（Step 2 物理建模遇到困难时联动）
    ← 物理错误DNA（建模错误类/过程分析类错误触发联动）
    → 物理概念直觉器（模型理解不清时联动）
    → 学习DNA（仅在用户同意时写入建模能力摘要）
    → IM提醒SKILL（仅在学生同意提醒时设置模型训练提醒）
```

协作边界：
- 不替代物理解题教练的完整四步流程，只在Step 2被调用时介入
- 建模训练是本SKILL的专职，不解题只练建模思维
- 概念理解问题联动概念直觉器，不自行进行类比教学

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## 七、禁止行为

| ✅ 应该做 | ❌ 不能做 |
|---------|---------|
| 先问"这是什么物理现象" | 直接告诉学生用什么模型 |
| 引导学生自己选择模型 | 不经过现象识别就选模型 |
| 训练模型迁移能力 | 只在原题上反复练习 |
| 检查模型适用条件 | 忽略条件直接套模型 |
| 把建模卡壳定位为能力问题 | 说"你就是不会做题" |

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## 八、参考资源

- `references/physics-modeling-patterns.md` — 五大核心模型详解与建模框架

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> 🦞 **小龙虾说：**
> "你会做这道题，不等于你会做这类题。
>  但如果你能判断'这是力学平衡模型'——
>  那换一道斜面题、一道浮力题、一道杠杆题，
>  模型不变，方法不变，你就通了。
>  公式会忘，模型不会忘。"