淺談物理學(xué)習(xí)中模型建立的思維分析

摘要：物理模型教學(xué)是高中物理教學(xué)中的主要部分，對物理知識的掌握與應(yīng)用發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。本文旨在對物理模型建立過程進(jìn)行思維分析，并提出作者的一點看法和建議，以期對一線教學(xué)能有一定的借鑒價值。

關(guān)鍵詞：物理模型；建模；解題方法；思維分析

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003—6148(2011)9(S)-0068—3

學(xué)生在物理學(xué)習(xí)過程中會遇到各種各樣的題目，對于不同題目有不同的解決方法，相同題目也有不同的解決方法。如何找到一種最恰當(dāng)?shù)姆椒ǎ俏覀冺樌鉀Q問題的關(guān)鍵，更是衡量我們學(xué)習(xí)能力的關(guān)鍵。

對于解題方法，用數(shù)學(xué)的觀點來闡釋就是在某個準(zhǔn)則下，我們所用來解決問題的工具，而這些準(zhǔn)則其實就是一種建立了的“模型”。物理的學(xué)習(xí)中同樣存在著解題模型，本文旨在對物理模型建立過程進(jìn)行思維分析，如何建立一種恰當(dāng)?shù)慕忸}模型是本文討論的主要初衷。

如何形成對一類問題的建模，這是屬于理性思維的一個過程，如我們在解決物理運(yùn)動問題時的理性思維活動可以綜述為：確定研究對象——觀察運(yùn)動過程——進(jìn)行分析受力、畫圖——列方程求解。其實物理抽象模型的建立涵蓋著一個將現(xiàn)實轉(zhuǎn)化為抽象思維的過程，而這個過程的轉(zhuǎn)化除了要用到我們所學(xué)的知識，還要求我們必須具備理論聯(lián)系實際的能力，并將理論知識和現(xiàn)實問題對接。除此之外，想象力、洞察判斷力以及直覺思維能力和靈感等也非常重要。

在學(xué)習(xí)安培分子電流假說的時候我們知道：一根導(dǎo)體棒在磁場中做切割磁感線運(yùn)動的時候?qū)w棒的兩端會產(chǎn)生電動勢，這其中的具體緣由是什么呢?我們知道，電動勢的產(chǎn)生是因為導(dǎo)體棒內(nèi)部有規(guī)律的電荷運(yùn)動，如何理解呢?電荷在磁場中運(yùn)動會受到洛倫茲力的作用，而導(dǎo)體棒內(nèi)部有大量電子，這些電子在導(dǎo)體棒做切割磁感線運(yùn)動時會有規(guī)律地向一個方向運(yùn)動，直到導(dǎo)體棒的一端聚集了足夠多的電子時，這個導(dǎo)體棒兩端就會形成一個電勢差，繼而產(chǎn)生了電動勢，而所有電子受到的洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)即是安培力(圖1)。

課本上的這部分知識排序是先學(xué)習(xí)安培分子電流假說及安培力，再學(xué)習(xí)洛倫茲力及帶電粒子在磁場中的運(yùn)動，通過前后所學(xué)知識的融合，我們就可以推斷只要導(dǎo)體內(nèi)部存在電子的定向流動就會產(chǎn)生電動勢，如果導(dǎo)體存在于一個閉合回路中，那么它就相當(dāng)于一個電源。通過課本知識的舉例，我們看到，學(xué)習(xí)物理不僅要將每一部分的知識學(xué)透徹，還要學(xué)而多思、多總結(jié)，將后面所學(xué)與前面知識結(jié)合起來，形成對這部分知識的一個整體架構(gòu)。

下面以磁流體發(fā)電機(jī)為例來探討物理抽象模型的建立過程。

磁流體發(fā)電是一項新技術(shù)，它可以直接把物體的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化為電能。如圖2所示，平行金屬板A、B之間有一個很強(qiáng)的磁場，將一束等離子體(即高溫下電離的氣體，含有大量正、負(fù)帶電粒子)噴人磁場，A、B兩板間便產(chǎn)生電壓。如果把A、B和用電器連接，A、B就是一個直流電源的兩個電極。

根據(jù)以上實例，經(jīng)過對知識的整體架構(gòu)完成以后，我們再用它來分析實際問題就變得簡單多了。我們知道，其實磁流體發(fā)電機(jī)的核心就是其內(nèi)部存在帶電粒子在磁場中的定向運(yùn)動，繼而在兩板間產(chǎn)生了電動勢，若將其接入回路，則A、B兩板即充當(dāng)電源。將實物上升到純理論的分析，這其實是一個物理思維的抽象過程，也即是物理模型的建立過程。而這種從實體到理論的“上升”，很多同學(xué)是難以做到的，也是大多數(shù)學(xué)生在解題過程中停滯不前的地方。

那么到底如何將實際問題抽象為簡化了的理論分析呢?這其實也即是物理抽象模型的建立過程，筆者認(rèn)為可以從以下幾點出發(fā)：

1.吃透理論知識是基礎(chǔ)

首先要充分理解和吃透所學(xué)的知識，能夠?qū)⑶昂笾R串起來，建立起一種內(nèi)在的聯(lián)系，即要求學(xué)生要學(xué)會融會貫通。當(dāng)然，要做到這點，沒有達(dá)到對知識一定的提純和精煉是難以做到的。

2.聯(lián)系生活實際是關(guān)鍵

掌握了所學(xué)理論知識還不夠，還必須學(xué)以致用，即將所學(xué)知識多與實際生活進(jìn)行聯(lián)系，明白所學(xué)知識在實際生活中都有哪些用處。其實物理知識點的教學(xué)實際就是物理建模的教學(xué)，只是很多同學(xué)并不善于將理論套用于實際而已。

3.由實際問題再回歸理論是最終目的

以上兩點做好了，還必須完成最后一步，即使在遇到實際問題時，也能夠?qū)⑵涑橄筮€原為物理模型。也就是解決物理實際應(yīng)用題目的一般過程：

(1)審題。提取題目中與物理模型有關(guān)的信息，如：物理現(xiàn)象、物理事實、物理情景、物理狀態(tài)、物理過程等。

(2)提取題目中的主要因素。

(3)搜索與已有知識(如：實體、系統(tǒng)、過程等)相近的或直接的聯(lián)系，通過類比分析、聯(lián)想概括、邏輯推理或原型啟發(fā)等，建立物理模型，將新情景問題轉(zhuǎn)化為常規(guī)題。

(4)選擇與物理模型相關(guān)的物理規(guī)律求解。

在此基礎(chǔ)上，還要多思考物理模型之間的聯(lián)系，不斷領(lǐng)會物理學(xué)研究問題的思維方法，做到恰當(dāng)選擇合適模型解題，全面提高物理建模能力。

物理學(xué)習(xí)中應(yīng)深刻認(rèn)識已有的物理模型，注意積累并善于聯(lián)系，把待解決的問題納入到已有的模式中，并通過物理規(guī)律的應(yīng)用、過程的分析和數(shù)學(xué)知識的運(yùn)用，使問題迎刃而解。物理建模思維作為研究物理的基本指導(dǎo)思想和學(xué)習(xí)物理的基本素質(zhì)，教師在教學(xué)中應(yīng)注重建模理念的灌輸、建模思維的滲透和建模方法的應(yīng)用，逐步培養(yǎng)起學(xué)生的物理建模能力和創(chuàng)造能力。

(欄目編輯 鄧 磊)