高中物理教學(xué)中構(gòu)建物理模型淺析

吳海燕

中學(xué)物理教學(xué)大綱明確指出：“在物理教學(xué)過程中，應(yīng)該通過概念的形成，規(guī)律的得出，模型的建立，知識的應(yīng)用……培養(yǎng)學(xué)生的分析、概括、抽象、推理、想象等思維能力”。其中建立物理模型，是物理解題中的重要策略和必要步驟，模型的建立正確與否或合理與否，直接關(guān)系到物理問題解決的質(zhì)量?？v觀物理學(xué)史，伽里略和牛頓構(gòu)建了光滑這一理想化的模型，才有慣性定律的重大發(fā)現(xiàn)。法拉第在1852年，對帶電體、磁體周圍空間存在的物質(zhì)，設(shè)想出電場線、磁場線一類力線的模型，并用鐵粉顯示了磁鐵周圍的磁力線分布形狀，從而建立了場的概念，對當(dāng)前的傳統(tǒng)觀念是一個(gè)重大的突破。盧瑟福也在1911年構(gòu)思出原子的核式結(jié)構(gòu)模型?？梢娢锢砟Ｐ褪俏锢硭枷氲漠a(chǎn)物，是科學(xué)地進(jìn)行物理思維并從事物理研究的一種方法。培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建物理模型的能力，就是指在解決物理問題過程中指導(dǎo)學(xué)生如何依據(jù)物理情景的描述，正確選擇研究對象，抽象研究對象的物理結(jié)構(gòu)和過程模式。筆者認(rèn)為構(gòu)建物理模型的途徑有以下幾種：

一、明確物理對象，構(gòu)建概念模型

物理模型大都是以理想化模型為對象建立起來的。建立概念模型實(shí)際上是忽略次要因素，抓住主要因素，認(rèn)清事物的本質(zhì)，利用理想化的概念模型解決實(shí)際問題。如質(zhì)點(diǎn)、剛體、點(diǎn)電荷、彈簧振子、單擺、理想電流表、理想電壓表等等。學(xué)生在理解這些概念時(shí)，很難把握其實(shí)質(zhì)，而建立概念模型則是行之有效的思維方式。

二、突出主要矛盾，認(rèn)清條件模型

條件模型就是將已知的物理?xiàng)l件模型化，舍去條件中的次要因素，抓住條件中的主要因素。當(dāng)研究帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，因粒子所受的重力遠(yuǎn)小于電場力，可以舍去重力的作用，使問題得到簡化。再如力學(xué)中的光滑面、以及在研究兩個(gè)物體碰撞時(shí)，因作用時(shí)間很短，忽略了摩擦等阻力，認(rèn)為系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變。條件模型的建立，能使我們研究的問題得到很大的簡化。

三、建立物理圖景，構(gòu)建過程模型

物理現(xiàn)象中任一物理過程是由無數(shù)個(gè)連續(xù)的狀態(tài)組合而成，所謂過程模型就是將物理過程模型化，將一些復(fù)雜的物理過程經(jīng)過分解、簡化、抽象為簡單的、易于理解的物理過程。如力學(xué)中的自由落體運(yùn)動(dòng)、勻速直線運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、簡諧運(yùn)動(dòng)、彈性碰撞；電學(xué)中的穩(wěn)恒電流、等幅振蕩等等都是物理過程的模型化。過程模型的建立，不但可以使問題得到簡化，還可以加深學(xué)生對有關(guān)概念、規(guī)律的理解，有利于培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性。

四、挖掘隱含條件，構(gòu)建情景模型

在物理題目中，有些條件是隱蔽的。對于這些“含而不露”的隱含條件，必須全部挖掘出來，才能使一些模糊的物理過程變得具體化、形象化，才能揭示出它的特征和規(guī)律，然后建立過程解答。

如1997年全國高考題：質(zhì)量為m，電量為g的質(zhì)點(diǎn)，在靜電力作用下，以恒定速率口沿圓弧從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，其速度方向改變的角度為θ(弧度)，AB弧長為s，求A、B兩點(diǎn)間的電勢差。

對此題，不少考生認(rèn)為題目給出的條件模型不清，不能建立合理的物理模型，感到無從下手。其實(shí)該題已給出了較隱蔽的條件：此質(zhì)點(diǎn)只在靜電力作用下以恒定速率υ沿圓弧運(yùn)動(dòng)，可以推斷出此質(zhì)點(diǎn)處在點(diǎn)電荷形成的電場中，可以構(gòu)建“電子繞核作圓周運(yùn)動(dòng)模型”，這樣，隱含條件挖掘了出來，物理模型也就清晰了。

五、緊扣關(guān)鍵詞句，構(gòu)建物理模型

在描述物理事物的結(jié)構(gòu)或發(fā)展變化過程的時(shí)候，往往使題目的篇幅較長，文字量較大，給審題帶來一定的困難，為此要求學(xué)生在審題時(shí)要重點(diǎn)把握關(guān)鍵字句，為模型的建立打好基礎(chǔ)。如看到諸如“最大”“至少”“恰好”等字句要格外留意。電學(xué)中有這樣的常見例子：

一個(gè)U型導(dǎo)體框架，寬度為L=1m，其所在平面與水平面成a=30°角其電阻可忽略不計(jì)。設(shè)勻強(qiáng)磁場與U型框架的平面垂直，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.2T，今有一根導(dǎo)體棒ab，其質(zhì)量m=0.2kg，有效電阻R=0.1Ω，跨放在u型框架上，并能無摩擦滑動(dòng)，求導(dǎo)體ab下滑的最大速度。

題中求“最大速度”幾個(gè)字，是提示物理模型的關(guān)鍵性詞句，最大，即不可增加，也就是導(dǎo)體ab將以此速度沿導(dǎo)軌斜向下作勻速直線運(yùn)動(dòng)。這樣，通過關(guān)鍵字句，找到解題的突破口，頭腦中形成清晰的物理模型。

六、善用數(shù)學(xué)思想，構(gòu)建物理模型

客觀世界的一切規(guī)律原則上都可以在數(shù)學(xué)中找到它們的表現(xiàn)形式。當(dāng)然，由于物理模型是客觀實(shí)體的一種近似，以物理模型為描述對象的數(shù)學(xué)模型，也只能是客觀實(shí)體的近似的定量描述。例如，在研究外力一定時(shí)加速度和質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，認(rèn)為小車受到的拉力等于砂和砂桶的重力，其實(shí)，小車受到的拉力小于砂和砂桶的總重力。只有當(dāng)砂和砂桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車和砝碼的總質(zhì)量時(shí)，才可近似地取砂和砂桶的總重力為小車所受的拉力，這是我們采取簡化計(jì)算的一種數(shù)學(xué)模型。再如單擺作簡諧運(yùn)動(dòng)時(shí)，為什么要求擺角小于10度?這是因?yàn)橹挥性谶@種情形下，單擺的回復(fù)力才近似與位移成正比，才滿足簡諧運(yùn)動(dòng)的條件。

“模型”的教學(xué)與應(yīng)用貫穿整個(gè)物理教學(xué)的始終，教師在教學(xué)中應(yīng)充分給予重視，通過教讓學(xué)生更能理解、消化、掌握新知識；通過題解進(jìn)一步升華物理知識，提高學(xué)生的抽象思維、發(fā)散思維等能力；通過實(shí)踐讓學(xué)生細(xì)細(xì)品味知識、品嘗自然，在實(shí)踐中創(chuàng)新，在創(chuàng)新中發(fā)展，使學(xué)生的創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)發(fā)生質(zhì)的飛躍。