物理模型的建立及在教學(xué)中的作用

蔣明星

（酒泉中學(xué)，甘肅 酒泉 735000）

一、物理模型概述

1.物理模型的概念

所謂物理模型，即在分析和解決實際物理問題時，突出主要的、本質(zhì)的特征，忽略次要的、非本質(zhì)的因素，對實際物體和物理過程所做的一種簡化的描述或模擬。這是一種抽象的思維方法。比如質(zhì)點，就是突出了物體的質(zhì)量，忽略了它的形狀、體積、溫度和發(fā)光等因素而形成的一種理想化模型。以物理事實為基礎(chǔ)，運用科學(xué)的思維方法，構(gòu)建物理模型的過程是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造思維和探索能力的有效途徑。

2.物理模型的分類

根據(jù)物理模型在實際問題中所起的作用，一般分為兩大類：一類是表示物體的模型即對象模型。如質(zhì)點、光滑平（曲）面、彈簧振子、單擺、理想氣體、點電荷、理想變壓器、點光源、平面鏡、盧瑟福原子核式模型、玻爾原子模型等。另一類是表示狀態(tài)和過程的模型即過程模型。如勻速（勻變速）直線運動、勻速圓周運動、拋體運動、簡諧振動、對心碰撞、理想氣體的變化過程（等溫變化、等容變化、等壓變化、絕熱變化）、光的直線傳播、光的反射、光的折射等。

3.物理模型的主要特點

典型性是物理模型的首要特點。物理模型是從一類物理問題中，抓住本質(zhì)問題，刪除干擾和次要因素，集基礎(chǔ)知識與基本規(guī)律于一體，具有代表性的結(jié)晶。

方法性是物理模型的第二個特點。物理模型不只是知識的結(jié)晶，同時也是思維的結(jié)晶。掌握好物理模型除了加深對物理概念的理解之外，還可以從物理模型的建立，理解物理知識深刻的內(nèi)涵及外延，體會運用物理知識解決實際問題的思路和邏輯方法。

二、實際問題中如何建立物理模型

1.直接建立法

直接建立法的步驟為：

①明確研究對象，抽象為理想化的對象模型。

②分析所處環(huán)境，建立正確的理想化環(huán)境，即物理環(huán)境。

③準(zhǔn)確分析研究對象在物理環(huán)境中的運動變化，突出過程特點，抽象為理想化的過程模型。

對具體物理問題，在確立研究對象并抽象為理想化的對象模型后，應(yīng)認(rèn)真分析物理現(xiàn)象產(chǎn)生的物理過程、明確物理過程進(jìn)行的特點、影響物理過程進(jìn)行的各種因素，根據(jù)具體問題的具體要求，在突出過程特點的前提下，抓住重點，忽略次要點，把實際的物理過程抽象為理想化過程。然后按照其遵循的物理規(guī)律列出方程，問題也就迎刃而解了。

例：如圖1，勁度系數(shù)為K的彈簧，一端固定于墻壁，另一端連著質(zhì)量為M的物體，物體靜止于光滑水平面上的O點現(xiàn)有一質(zhì)量為m的子彈以水平速度v0射入且留在物體中，試問最少需要多長間物體又到達(dá)0點?物體的最大位移是多少?

解：開始時取子彈和物體組成的系統(tǒng)為研究對象，忽略子彈的轉(zhuǎn)動，認(rèn)為子彈射進(jìn)物體的過程為平動，從而建立質(zhì)點系統(tǒng)模型。而子彈從開始射入木塊到停留在木塊中這一過程時間極短，彈簧的形變微小到可以忽略，所以可認(rèn)為在此過程中，沿水平方向系統(tǒng)所受合外力為零，系統(tǒng)的變化為完全非彈性碰撞，從而可建立完全非彈性碰撞過程模型。系統(tǒng)動量守恒，故有：m v0=（M+m）v

圖1

又因為系統(tǒng)獲得速度的過程短暫，它們的位移微小到可以忽略，故可認(rèn)為系統(tǒng)雖已具有速度v，但還處在平衡位置O點處。此后，選取子彈、物體和彈簧組成的系統(tǒng)為研究對象，忽略彈簧質(zhì)量、空氣阻力和摩擦力，建立彈簧振子模型；振子從平衡位置O處以速度v向左運動的過程，滿足簡諧振動模型，故根據(jù)簡諧振動的周期公式和機械能守恒，可得方程：

由上式即可獲知物體再次到達(dá)O點的最短時間t與物體的最大位移A分別為：

在這個問題的解決中，我們先后建立了兩個研究對象的物理模型（相互作用的質(zhì)點系及彈簧振子）和兩個運動變化的物理模型（完全非彈性碰撞及簡諧振動），這些模型一建立，我們就知道用動量守恒和簡諧振動公式求解，得出相應(yīng)的結(jié)果，問題也就迎刃而解。

2.用類比、等效變換進(jìn)行物理模型的遷移

類比、等效變換是以某種已確定的模型為基本模型，把與此形態(tài)、性質(zhì)或規(guī)律類似的其他客體歸納到基本模型，用與基本模型相同或類似的研究方法來認(rèn)識新客體的性質(zhì)或規(guī)律，從而形成學(xué)習(xí)的正遷移。有助于學(xué)生求同思維的發(fā)展。

如用單擺振動等效類比電磁振動蕩過程；將理想氣體分子等效為彈性小球，并用彈性小球?qū)ζ鞅诘呐鲎踩ソ忉尯屯茖?dǎo)氣體壓強公式；用天體系統(tǒng)中的行星模型類比盧瑟福原子的核式結(jié)構(gòu)及玻爾原子模型，大大降低了學(xué)習(xí)難度。

三、物理模型在中學(xué)物理教學(xué)中的作用

1.物理模型可使教學(xué)重、難點“軟著陸”

中學(xué)物理教材中的許多物理知識比較抽象難懂，往往不易被學(xué)生理解和接受，學(xué)生常感到問題復(fù)雜，學(xué)習(xí)起來困難。但通過采用模型方法來實施教學(xué)，突出問題的主要因素，簡化次要因素，引導(dǎo)學(xué)生建立起清晰的物理情景，暴露物理過程，達(dá)到疏通思維渠道，使物理問題由難變易，由繁化簡，起到軟化教學(xué)過程的作用。

2.物理模型可促進(jìn)學(xué)生能力的提高

每一個物理過程的處理，物理模型的建立，都離不開對物理問題的分析。教學(xué)中，通過對物理模型的設(shè)計思想及分析研究思路的教學(xué)，能培養(yǎng)學(xué)生對較復(fù)雜物理問題進(jìn)行具體分析，區(qū)分主要因素和次要因素，抓住問題的本質(zhì)特征，正確運用科學(xué)抽象思維的方法去處理物理問題的能力，有助于學(xué)生思維能力的提高，也有助于學(xué)生掌握物理學(xué)的研究方法。

3.物理模型還有推進(jìn)中學(xué)物理教學(xué)過程中辯證唯物主義思想教育的作用

物理學(xué)中每一個物理模型的建立與發(fā)展都蘊藏著豐富的哲學(xué)內(nèi)涵，它是我們在教學(xué)過程中對學(xué)生實施辯證唯物主義教育的好教材，應(yīng)充分給予挖掘。如在光的本質(zhì)教學(xué)中，通過光的波粒二象性模型說明矛盾著的兩個方面即對立又統(tǒng)一；在對原子結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展變化的講解中，引導(dǎo)學(xué)生去理解真理發(fā)展的辯證關(guān)系，即真理是客觀的，同時又是相對的，使學(xué)生認(rèn)識到人類對客觀世界的認(rèn)識具有歷史局限性，從而幫助學(xué)生樹立起正確的辯證唯物主義的方法觀。

這就要求我們在平時的教學(xué)中，不僅要讓學(xué)生掌握基本概念、規(guī)律的內(nèi)涵外延，還要引導(dǎo)學(xué)生重視它們是如何分析判斷、抽象得出的，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)方法技能，教會學(xué)生善于從新材料中提出信息，學(xué)會如何思考加工處理，構(gòu)建模型，實現(xiàn)已有知識和技能的遷移，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。