物理模型在教學(xué)中的應(yīng)用

李萌

摘要： 任何物理模型都是采用理想化方法，通過(guò)對(duì)原型客體（具體事物）在一定條件下的合理近似而抽象出同類(lèi)原型客體的共同性而建立的。它是一個(gè)主觀抽象和客觀具體的辨證統(tǒng)一體，具有理想性和客觀性、抽象性和可變性。由此決定了建立和應(yīng)用物理模型的心理機(jī)構(gòu)是想象和遷移，并需要抽象思維與之對(duì)應(yīng)。而中學(xué)生的抽象思維還沒(méi)達(dá)到定型階段，還不能完全去應(yīng)用，故物理模型在物理教學(xué)中造成了一定難度。因此本文就物理模型在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用作初步探討。

關(guān)鍵詞： 物理模型物理教學(xué)思維方法應(yīng)用

1.緒論

物理學(xué)的研究對(duì)象遍及整個(gè)物質(zhì)世界，大至天體，小至基本粒子，廣闊無(wú)邊。物理學(xué)的目的就在于認(rèn)識(shí)自然把握自然。但是自然界中任何事物與其他許多事物之間總是存在著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，并處在不斷變化之中。面對(duì)復(fù)雜多變的世界，人們?cè)谥盅芯繒r(shí)，總是遵循一條重要的方法原則，即從簡(jiǎn)到繁，先易后難，循序漸進(jìn)，逐次深入。根據(jù)這條原則，人們?cè)谔幚韽?fù)雜的問(wèn)題時(shí)，總是試圖把復(fù)雜的問(wèn)題分解成若干個(gè)比較簡(jiǎn)單的問(wèn)題逐個(gè)擊破。

基于這樣的一個(gè)思維過(guò)程，人們就創(chuàng)建了“物理模型”。物理模型是一種理想化模型，這就要求思維過(guò)程具有一定的抽象性。因此在物理教學(xué)中使學(xué)生正確建立和運(yùn)用物理模型，不僅有助于他們學(xué)習(xí)物理知識(shí)，更有助于培養(yǎng)他們的抽象思維能力和創(chuàng)新能力。

2.物理模型的概述

物理模型是指：人們?yōu)榱搜芯课锢韱?wèn)題的方便和探討物體事物的本質(zhì)而對(duì)研究對(duì)象所作的一種簡(jiǎn)化的描述或模擬。

（1）物理模型的種類(lèi)

①實(shí)物物理模型

例如：人們對(duì)事務(wù)的認(rèn)識(shí)過(guò)程，總是從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)。心理學(xué)研究表明，人腦對(duì)事務(wù)的認(rèn)識(shí)是從表象開(kāi)始的。這就要求教師在教學(xué)中，要盡量多地將實(shí)物、圖片等展示給學(xué)生，以形成表象基礎(chǔ)。

②理論物理模型

例如：過(guò)渡狀態(tài)的勢(shì)能面物理模型、近代粒子物理。

③實(shí)體理想物理模型

例如：質(zhì)點(diǎn)、系統(tǒng)、理想氣體、點(diǎn)電荷、勻強(qiáng)磁場(chǎng)、勻強(qiáng)電場(chǎng)。

④過(guò)程理想物理模型

例如：等溫、等容、等壓過(guò)程；勻速直線運(yùn)動(dòng)；拋體運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)恒定電流，等等。

（2）物理模型的特征

①抽象性和形象性的統(tǒng)一

②科學(xué)性和假定性的統(tǒng)一

3.如何構(gòu)建物理模型

構(gòu)建模型是科學(xué)研究的基本方法之一，模型在物理學(xué)中也得到了廣泛應(yīng)用。物理模型是物理學(xué)理論體系的基石，物理模型的構(gòu)建當(dāng)然也是物理學(xué)研究的方法之一。只有了解如何構(gòu)建物理模型才能把它更好地應(yīng)用在教學(xué)中。

（1）構(gòu)建物理模型的思維方法

①量綱分析法

②抽象歸納法

③類(lèi)比法

④理想化方法

⑤構(gòu)造法

⑥等效代換法

⑦微元法與迭代法

例如構(gòu)造法：有些模型在實(shí)際中是根本不存在的，但為了研究問(wèn)題的方便，我們往往形象地引入一虛擬的物質(zhì)結(jié)構(gòu)或過(guò)程。例如為了便于描述光的傳播，我們引入了光線；為了便于描述磁場(chǎng)的方向，我們引入了磁感線。

類(lèi)比法：人對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)，是由表及里、由個(gè)別一般的過(guò)程。我們?cè)诮虒W(xué)中建立物理模型，必須符合這一規(guī)律。如，在高中物理中，學(xué)生對(duì)速度的改變△V、動(dòng)量的改變△P等矢量的認(rèn)識(shí)有一定困難。為了降低學(xué)生接受知識(shí)的難度，我們先建立在同一直線上的矢量減法模型。如某物體原來(lái)的速度為V，后來(lái)的速度為V，則速度的改變△V=V-V，我們可引導(dǎo)學(xué)生這樣建立模型：將表示V、V的有向線段的始端共點(diǎn)，則從V的箭端指向V的箭端的有向線段表示了△V（如圖1、2所示）再引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)：當(dāng)V、V不在一直線上時(shí)，上述法則仍然成立（如圖3）。這樣，就可以輕易地建立起矢量三角形模型。

構(gòu)建物理模型的方法很多，這里只列舉兩種，無(wú)論哪種方法都可以幫助學(xué)生去體會(huì)及應(yīng)用到具體教學(xué)中，使復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化。

（2）構(gòu)建物理模型的實(shí)踐方法

為了增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，構(gòu)建好物理模型是非常重要的。這樣能讓學(xué)生感受到實(shí)在的物理知識(shí)，產(chǎn)生一種物理就在身邊的親切感。在具體教學(xué)課堂中也可通過(guò)下述方法幫助學(xué)生建立物理模型。

①通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立

②運(yùn)用現(xiàn)實(shí)生活例子建立

③通過(guò)課件模擬建立

物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，觀察和實(shí)驗(yàn)是研究物理學(xué)的根本方法。實(shí)驗(yàn)是連接認(rèn)識(shí)的主體和客體的紐帶。實(shí)驗(yàn)首先為物理概念和規(guī)律的建立奠定了表象基礎(chǔ)，在學(xué)生的腦海中形成了一個(gè)個(gè)具體形象的物理模型，更為重要的是通過(guò)有目的的實(shí)驗(yàn)，可以引導(dǎo)學(xué)生由抽象思維形成具有思維特征的物理模型。

有些物理概念和規(guī)律，學(xué)生在生活中很少感知，那么在主體和認(rèn)識(shí)客體間就缺少必要的中介物。例如：在講電和磁的關(guān)系時(shí)，只有做好實(shí)驗(yàn)，學(xué)生才能發(fā)現(xiàn)、理解電生磁、磁生電、磁場(chǎng)對(duì)電流有作用等物理現(xiàn)象，形成清晰的物理模型。

學(xué)生頭腦中有時(shí)積累了一些感性材料、生活經(jīng)驗(yàn)，但有些經(jīng)驗(yàn)是模糊的，動(dòng)搖的，甚至是錯(cuò)誤的。這就要求教師在教學(xué)中進(jìn)行生動(dòng)演示，突出主要部分，使模糊的得以清晰，對(duì)錯(cuò)誤的加以改正。例如：學(xué)生根據(jù)自己的生活經(jīng)驗(yàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)和力有些模糊的認(rèn)識(shí)。在教學(xué)中就要做好斜面小車(chē)實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)，推出牛頓第一定律，在這個(gè)基礎(chǔ)上才能更好理解運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系，在頭腦中形成關(guān)于運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系的正確模型。

當(dāng)然，建立物理模型的方法是很多的，我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)知識(shí)特點(diǎn)和學(xué)生特點(diǎn)作出適當(dāng)?shù)倪x擇。值得一提的是，在教學(xué)過(guò)程中，如果我們采用多媒體教學(xué)手段去建立物理模型，將會(huì)使模型更形象化、生動(dòng)化，更能幫助學(xué)生加深理解，從而更好地達(dá)到我們的教學(xué)目的。

4.物理模型在教學(xué)中的應(yīng)用

通過(guò)上述介紹了什么是物理模型，如何構(gòu)建物理模型等知識(shí)，從而進(jìn)一步對(duì)物理模型在教學(xué)中的應(yīng)用作深入的探討。

（1）物理模型在物理概念教學(xué)中的應(yīng)用

在物理學(xué)中，有很多的概念都是以理想化模型為對(duì)象建立起來(lái)的。例如：質(zhì)點(diǎn)、單擺、點(diǎn)電荷、理想氣體，等等。比如在“單擺”的教學(xué)中，同學(xué)們都知道在生活中經(jīng)?？梢钥吹綉覓炱饋?lái)的物體在豎直平面內(nèi)做擺動(dòng)，那么擺動(dòng)屬于一種什么運(yùn)動(dòng)呢？這就引入了實(shí)際擺的理想化物理模型——單擺。如果懸掛小球的細(xì)線的伸縮和質(zhì)量可以忽略，線長(zhǎng)又比球的直徑大的多，這樣的裝置就叫做單擺。從而自然地引入了“單擺”的概念。

通過(guò)這個(gè)例子可以看出，當(dāng)學(xué)生很難把握一些物理概念時(shí)，建立相應(yīng)的概念模型是一種非常有效的思維形式，這樣能夠使學(xué)生很容易并且充分地理解物理概念。

（2）物理模型在物理規(guī)律教學(xué)中的應(yīng)用

探索物理規(guī)律，是以抽象思維結(jié)合的教學(xué)手段，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)科學(xué)抽象和概括，將具體的復(fù)雜的物理過(guò)程，用簡(jiǎn)化的模型來(lái)代替，突出主要矛盾，簡(jiǎn)化問(wèn)題，從而便于研究物體的主要性質(zhì)，便于找出其中的主要規(guī)律。

如“牛頓第一定律”的發(fā)現(xiàn)，在最早時(shí)人們普遍認(rèn)為力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，用力推車(chē)子，車(chē)子才前進(jìn)，停止用力，車(chē)子就要停下來(lái)。然而，一直到17世紀(jì)伽利略才根據(jù)實(shí)驗(yàn)推出：在水平面上運(yùn)動(dòng)的物體所以會(huì)停下來(lái)是因?yàn)槭艿侥Σ磷枇Φ木壒?。設(shè)想沒(méi)有摩擦，一切物體具有某一速度，物體將保持這個(gè)速度繼續(xù)運(yùn)動(dòng)下去。伽利略的實(shí)驗(yàn)雖然是理想中的實(shí)驗(yàn)，但它是建立在可靠的事實(shí)為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)抽象思維抓住主要因素，忽略次要因素，從而更深刻地揭示了自然規(guī)律。正是因?yàn)檫@樣，牛頓在伽利略等人的研究基礎(chǔ)上根據(jù)自己的研究系統(tǒng)地總結(jié)了力學(xué)的知識(shí)，提出了“牛頓第一定律”，即一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。

在物理教學(xué)中，很多的物理規(guī)律也是通過(guò)物理模型而總結(jié)概括的，這樣忽略了次要因素，抓住主要因素，通過(guò)科學(xué)抽象總結(jié)出物理規(guī)律。

（3）物理模型在解決應(yīng)用型物理問(wèn)題中的應(yīng)用

應(yīng)用性物理問(wèn)題是直接取材于生產(chǎn)、生活及大自然，通過(guò)簡(jiǎn)單的加工而成的。與物理教材中常見(jiàn)的抽象問(wèn)題相比有較大的區(qū)別。解決這類(lèi)問(wèn)題的關(guān)鍵就在于把生活中的原理正確地轉(zhuǎn)換成物理模型。

例如：在“原子的核式結(jié)構(gòu)”的教學(xué)中，最早人們認(rèn)為電子是原子的組成部分，直到1911年物理學(xué)家盧瑟福和他的助手們進(jìn)行了α粒子散射的實(shí)驗(yàn)。用α射線照射金箔，由于金原子中的帶電微粒對(duì)α粒子有庫(kù)侖力的作用，一些α粒子穿過(guò)金箔后會(huì)改變?cè)瓉?lái)的運(yùn)動(dòng)方向，這個(gè)現(xiàn)象叫做α粒子的散射。盧瑟福希望通過(guò)對(duì)散射的分析來(lái)了解原子內(nèi)部電荷與質(zhì)量的分布情況。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是，絕大多數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象使盧瑟福感到十分驚奇，于是他精確統(tǒng)計(jì)了向各個(gè)方向散射的α粒子的數(shù)目，在此基礎(chǔ)上提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型即：在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外的空間運(yùn)動(dòng)。

運(yùn)用物理模型可以使復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，就像上個(gè)例子一樣，結(jié)合物理模型來(lái)講原子結(jié)構(gòu)知識(shí)就把問(wèn)題簡(jiǎn)單化了，從而能夠使學(xué)生更好地理解。

（4）物理模型在解答物理問(wèn)題中的應(yīng)用

解題過(guò)程其實(shí)就是還原擬題者物理模型的過(guò)程。我們需要把題目中的物理過(guò)程和物體簡(jiǎn)化成理想模型。事實(shí)告訴我們，千變?nèi)f化的物理習(xí)題都是根據(jù)一定的物理模型建立的。

例如：如圖所示，圓弧AO表示一個(gè)光滑凹圓槽的橫截面，它所對(duì)的圓心角小于5，試比較小球從槽中1、2位置靜止釋放運(yùn)動(dòng)到O點(diǎn)的時(shí)間？解題過(guò)程可歸納如下：

①讀題，確定研究對(duì)象。首先要把習(xí)題的主要內(nèi)容看懂，不要因?yàn)轳R虎等原因落讀任何一條信息；其次確定此題要研究的對(duì)象為圓弧AO，以及小球1、2。

②確定研究對(duì)象的實(shí)體物理模型。根據(jù)題設(shè)條件分析小球運(yùn)動(dòng)的受力情況得出，它和單擺擺球運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力情況相似（支持力和擺球的拉力等效）。所以，可以看成單擺模型來(lái)研究分析。

③以實(shí)體模型和習(xí)題給出的已知條件，待求量出發(fā)確定研究對(duì)象狀態(tài)變化的過(guò)程模型。在滿(mǎn)足題設(shè)條件下，小球從圖中1或2位置運(yùn)動(dòng)到O點(diǎn)的情況和單擺在做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)在4周期內(nèi)擺球從振幅運(yùn)動(dòng)至平衡位置情形相同。

④通過(guò)推理計(jì)算最后把整個(gè)問(wèn)題全分析完之后，我們就可以將待求問(wèn)題轉(zhuǎn)換為熟悉的單擺運(yùn)動(dòng)模型。小球運(yùn)動(dòng)至O點(diǎn)的時(shí)間與振幅無(wú)關(guān)，即與小球運(yùn)動(dòng)的初始位置1或2無(wú)關(guān)。

通過(guò)上面這道題可以看出，解答物理習(xí)題的過(guò)程就是對(duì)所研究的問(wèn)題構(gòu)成模型、分析模型、計(jì)算模型的過(guò)程。通過(guò)這一個(gè)例子就可以舉一反三，從而使學(xué)生掌握解題技巧，提高解題效率。

5.課題研究的成果、意義

本文通過(guò)對(duì)物理模型的概述和了解構(gòu)建物理模型的分類(lèi)方法，以及物理模型在教學(xué)中的一些應(yīng)用，從而得出了物理模型在物理教學(xué)中應(yīng)用上的一些思想、方法和規(guī)律。在中學(xué)物理教學(xué)中，能夠循序漸進(jìn)地啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生合理建立、應(yīng)用物理模型，處理比較復(fù)雜的物理問(wèn)題，熟悉并掌握這種科學(xué)研究的思維方法，養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣，也能夠使學(xué)生加深對(duì)物理概念和規(guī)律的理解，提高解題技巧，并且可以培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。此課題在教學(xué)法理論的構(gòu)建上，也體現(xiàn)了理論教學(xué)規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

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