淺議高中物理模型的建構(gòu)

李艷

【摘要】建構(gòu)物理模型是人們研究、認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的一種重要方法，而物理模型的多樣性和復(fù)雜性也是物理“難學(xué)、難教”重要原因之一。本文通過具體實(shí)例闡述兩個(gè)問題：一是怎樣科學(xué)理解和學(xué)習(xí)物理模型，二是怎樣應(yīng)用物理模型解決實(shí)際問題。把容易混淆、難以理解、難以記憶的知識(shí)變得清晰易懂，從而培養(yǎng)學(xué)生的方法意識(shí)，促進(jìn)其知識(shí)體系的自我構(gòu)建，并有效地訓(xùn)練學(xué)生發(fā)散思維能力及歸納能力。

【關(guān)鍵詞】建構(gòu)物理模型 科學(xué)概念 物理模型類比學(xué)習(xí) 模型應(yīng)用

【中圖分類號(hào)】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2013）04-0163-02

一、物理模型概述

物理學(xué)是自然學(xué)科的研究基礎(chǔ)，而自然界中任何事物與其他事物之間總存在著千絲萬縷的聯(lián)系，并處在不斷的變化中。面對(duì)復(fù)雜多變的自然界，人們?cè)谘芯繒r(shí)，總是遵循一個(gè)重要的原則，即從簡到繁、先易后難、循序漸進(jìn)、逐次深入?；谶@樣的思維過程，物理學(xué)家創(chuàng)建了“物理模型”。

物理模型是指：物理學(xué)所分析的、研究的實(shí)際問題很復(fù)雜，為了便于分析與研究，常常采用“簡化”的方法，對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行科學(xué)抽象的處理，用一種能反映原物本質(zhì)特性的理想物質(zhì)（過程）或假想結(jié)構(gòu)，去描述實(shí)際的事物（過程）。這種理想物質(zhì)（過程）或假想結(jié)構(gòu)稱之為“物理模型”?！拔锢砟Ｐ汀钡慕⑹且粋€(gè)創(chuàng)造性過程，對(duì)物理模型的認(rèn)識(shí)和理解培養(yǎng)創(chuàng)新能力的過程。在教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)和理解并建立“物理模型”，顯然是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力的良好途徑。

高中階段的物理學(xué)習(xí)為我們積累了很多物理模型，我們可以將其分類成二類，即一是對(duì)象模型，如質(zhì)點(diǎn)、物體的分子結(jié)構(gòu)、理想氣體、電流、電阻、磁流體發(fā)電機(jī)、電磁流量計(jì)、理想變壓器、原子結(jié)構(gòu)、核結(jié)構(gòu)、導(dǎo)體等等；二是過程模型，如勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻變速直線及曲線運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)、簡諧振動(dòng)、碰撞、能量轉(zhuǎn)化過程、光電效應(yīng)、核變化等。

在教學(xué)中，我們希望學(xué)生能在特定的情景下，從生動(dòng)具體的實(shí)際問題出發(fā)，運(yùn)用已有知識(shí)，根據(jù)研究問題的主要特征建立物理模型，并研究與之關(guān)聯(lián)的物理現(xiàn)象、過程，從而建立相應(yīng)的物理概念，得出物理規(guī)律，形成物理結(jié)論。然而，在我們教學(xué)的過程中，很多學(xué)生學(xué)得非常累，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)概念混淆、模型混亂、物理過程分析不清等情況，即使在物理上花費(fèi)了很多的時(shí)間也不能學(xué)好。通過多次與學(xué)生交流和同事探討，我認(rèn)為主要存在兩個(gè)問題 ，一、沒有徹底理解模型特點(diǎn)，無法構(gòu)建正確的模型，二是難以應(yīng)用已有的模型解決問題。

二、物理模型的學(xué)習(xí)

為了便于學(xué)生對(duì)物理模型有個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，真正的了解本質(zhì)，在教學(xué)過程中，我們一般會(huì)用到兩種方法，一是物理概念法；另一個(gè)是模型類比法。

2.1物理概念法

課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生在高中物理課中“學(xué)習(xí)終身發(fā)展必備的物理基礎(chǔ)知識(shí)和技能”。在課程內(nèi)容上體現(xiàn)“時(shí)代性、基礎(chǔ)性、選擇性”。而高中物理教學(xué)中，使學(xué)生形成概念，掌握規(guī)律，并使他們的認(rèn)識(shí)能力在形成概念、掌握規(guī)律的過程中得到充分發(fā)展，是高中物理教學(xué)的核心問題。李政道在回答怎樣才能學(xué)好物理這一問題時(shí)就曾經(jīng)強(qiáng)調(diào)：學(xué)習(xí)物理的首要問題是要弄清物理學(xué)中的基本概念。

在學(xué)習(xí)物理模型時(shí)，一定要弄清其基本的定義，該定義的條件，該模型的使用范圍，以及使用條件。如下例：

例1 理想氣體是一種氣體模型，是對(duì)真實(shí)氣體的抽象，其微觀的特點(diǎn)是：①理想氣體分子線度可以忽略不計(jì)，即具有一定的質(zhì)量而沒有大??；②分子之間以及分子與器壁間除了彈性碰撞外無其他作用力。通常不易液化的氣體在壓強(qiáng)不是太大、溫度不是太低的情況下，可視為理想氣體?，F(xiàn)有一定質(zhì)量的氫氣，裝在絕熱密閉的氣缸內(nèi)，如圖所示，若稍稍向下移動(dòng)活塞壓縮氣體，則下列敘述符合事實(shí)的是（D）。

A.氣體的內(nèi)能一定增加力時(shí)

B.氣體的溫度一定升高

C.氣體分子的平均間距不變

D.氣體壓強(qiáng)一定增加

考題方向：本題要求將實(shí)際的氣體抽象成理想化的模型（理想氣體）后進(jìn)行分析討論，考查了影響物體內(nèi)能的決定因素、改變物體內(nèi)能的兩種方法、熱力學(xué)第一定律及氣體壓強(qiáng)與溫度、體積的關(guān)系等。

定義：嚴(yán)格遵從氣態(tài)方程（PV=（m/M）RT=nRT）的氣體，叫作理想氣體（Ideal gas，有些書上，指符合氣體三大定律的氣體）。從微觀角度來看是指：分子本身的體積和分子間的作用力都可以忽略不計(jì)的氣體，稱為是理想氣體。擴(kuò)充：

1.分子體積與氣體體積相比可以忽略不計(jì)。

2.分子之間沒有相互吸引力。

3.分子之間及分子與器壁之間發(fā)生的碰撞不造成動(dòng)能損失。

4.在容器中，在未碰撞時(shí)考慮為作勻速運(yùn)動(dòng)，氣體分子碰撞時(shí)發(fā)生速度交換，無動(dòng)能損失。

5.解熱學(xué)題的時(shí)候，簡單的認(rèn)為是分子熱能為零，分子動(dòng)能不為零。

6.理想氣體的內(nèi)能是分子動(dòng)能之和。

例2 地球是一個(gè)龐然大物，直徑約為12800 km，與太陽相距1.5×108 km，研究地球繞太陽的公轉(zhuǎn)時(shí)，能不能把它看成質(zhì)點(diǎn)？研究地面上各處季節(jié)變化時(shí)，能不能把它看成質(zhì)點(diǎn)？

考題方向：本體考察質(zhì)點(diǎn)及可以視為質(zhì)點(diǎn)的條件。若研究地球繞太陽公轉(zhuǎn)時(shí)，由于地球本身的大小比地球到太陽的距離小得多，則可以把地球看作質(zhì)點(diǎn)；但若研究地面上各處季節(jié)變化時(shí)，則不能把其看作質(zhì)點(diǎn)。

定義：用來代替物體的有質(zhì)量的點(diǎn)。

1.質(zhì)點(diǎn)是一種科學(xué)抽象，是一種理想化的模型。

2.質(zhì)點(diǎn)是對(duì)實(shí)際物體的近似，這也是物理學(xué)中常用的一種重要的研究方法。

3.一個(gè)物體能否看成質(zhì)點(diǎn)，取決于它的形狀和大小在所研究問題中是否可以忽略不計(jì)，而跟自身體積的大小、質(zhì)量的多少和運(yùn)動(dòng)速度的大小無關(guān)。

4.一個(gè)物體能否被看作質(zhì)點(diǎn)，取決于所研究問題的性質(zhì)。即使是同一個(gè)物體，在研究的問題不同時(shí)，有的情況下可以看作質(zhì)點(diǎn)，而有的情況可能不可以看作質(zhì)點(diǎn)。

2.2模型類比法

由于物質(zhì)世界相互聯(lián)系的性質(zhì)使自然界各種現(xiàn)象之間、規(guī)律之間存在相似性，同時(shí)，物質(zhì)世界的層次性又決定了現(xiàn)象、規(guī)律之間本質(zhì)的差異性。類比法就是建立在比較和想象的基礎(chǔ)上，根據(jù)事物在某些屬性或關(guān)系上的相似（或同一），由此及彼，通過對(duì)比分析，作出判斷的一種推理方法。物理模型類比就是根據(jù)不同物理模型在某些屬性或關(guān)系上的相似（或同一）而推導(dǎo)出它們?cè)诹硪粚傩曰蜿P(guān)系上也可能相似（或同一）的一種推理形式?；谀Ｐ皖惐鹊姆椒☉?yīng)具有以下程序：

例1 靜電場(chǎng)和引力場(chǎng)的模型類比教學(xué)

例2 在學(xué)習(xí)電磁波的時(shí)候，讓學(xué)生聯(lián)想已經(jīng)學(xué)過的機(jī)械波的特點(diǎn)，以類比的形式組織聯(lián)想，思維可以涵蓋機(jī)械波、光波、電磁波，強(qiáng)調(diào)它們的共性比較它們的異性，訓(xùn)練學(xué)生的推理能力。

從以上的例子可以看出，隨著學(xué)生學(xué)習(xí)的深入，學(xué)生掌握的物理知識(shí)逐漸形成網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)中有知識(shí)的橫向式拓寬，也有遞進(jìn)式的深化。通過橫向擴(kuò)延和縱向深入，學(xué)生的知識(shí)和能力就產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，學(xué)生的創(chuàng)造性思維發(fā)展也就寓于其中了。在這過程中，模型類比是揭示這些知識(shí)內(nèi)在聯(lián)系的好方法，通過模型類比，聯(lián)想、推理出一系列規(guī)律，使學(xué)生從學(xué)會(huì)建立物理模型實(shí)現(xiàn)到運(yùn)用物理模型的飛躍。

三、物理模型的應(yīng)用

3.1運(yùn)用物理模型解題的步驟

在教學(xué)中，我們希望學(xué)生能在特定的情景下，從生動(dòng)具體的實(shí)際問題出發(fā)，運(yùn)用已有知識(shí)，根據(jù)研究客體的主要特征建立物理模型，并研究與之關(guān)聯(lián)的物理現(xiàn)象、過程，從而建立相應(yīng)的物理概念，得出物理規(guī)律，形成物理結(jié)論。運(yùn)用物理模型解題的基本程序?yàn)椋?/p>

（1）通過審題，提取題目信息.如：物理現(xiàn)象、物理事實(shí)、物理情景、物理狀態(tài)、物理過程等。

（2）弄清題目的主要條件。

（3）尋找與已有信息（熟悉的知識(shí)、方法、模型）的相似、相近或聯(lián)系之處，通過類比聯(lián)想或抽象概括或原型啟發(fā)，建立起新的物理模型，將新情景問題轉(zhuǎn)化為常規(guī)問題。

（4）選擇相關(guān)的物理規(guī)律求解。

3.2 典型例題

例1 放風(fēng)箏時(shí)人要拉著繩子奔跑一段距離以獲得升力。一段時(shí)間后，風(fēng)箏靜止在空中。

（1）當(dāng)風(fēng)箏在空中處于平衡時(shí)，如圖所示關(guān)于拉繩和風(fēng)箏的方向中，最合理的圖應(yīng)該是（ ）

（2）假設(shè)風(fēng)箏與豎直方向成a=370角，風(fēng)箏的質(zhì)量m=0.18kg，面積S=0.125m2，空氣沿水平方向吹向風(fēng)箏的速度為多少？空氣密度取1.25kg/m2，求繩子應(yīng)與豎直方向成多少度的角？繩中拉力為多少？（設(shè)氣流與風(fēng)箏的碰撞是完全彈性碰撞，g取10m/S2）

解析：（1）水平方向氣流吹向風(fēng)箏產(chǎn)生了垂直風(fēng)箏表面的作用力，風(fēng)箏要靜止，這個(gè)作用力應(yīng)與重力和拉力的合力為0，只有C圖中三力可以平衡，如圖所示，故選C。

（2）建立一個(gè)柱體模型，假設(shè)在極短的時(shí)間Δt垂直吹到風(fēng)箏面上的那個(gè)極短空氣柱的質(zhì)量為Δm，則Δm=pΔv=pScosa？淄Δt ①

由題意可知：空氣柱碰撞風(fēng)箏后以原速率返回，以Δm 的空氣柱為研究對(duì)象，受到垂直于風(fēng)箏的作用力，使垂直風(fēng)箏方向的動(dòng)量發(fā)生了改變，根據(jù)動(dòng)量定理F'Δt=2Δm？淄cosa ②

由①②得F'=2pS？淄2cos2a

代入數(shù)據(jù)得F'=20N，根據(jù)牛頓第三定律知風(fēng)箏受到的反作用力大小F=20N 。

∴繩子的拉力T =■ =19N.

設(shè)繩與豎直方向的夾角為θ，則sinθ=■=■ 。

∴ θ=arcsin■

技巧點(diǎn)撥：此題首先找出風(fēng)箏的平衡條件，其次確定空氣的流動(dòng)對(duì)風(fēng)箏產(chǎn)生的作用力的大小和方向。對(duì)氣流、液體流、粒子流等連續(xù)問題應(yīng)取一個(gè)柱體模型作為研究對(duì)象是解題的關(guān)鍵。另外，運(yùn)用動(dòng)量定理時(shí)應(yīng)注意方向性，即在垂直于風(fēng)箏方向的空氣動(dòng)量發(fā)生變化，而沿風(fēng)箏方向的不變，所以要進(jìn)行速度的分解。

例2 電磁流量計(jì)廣泛應(yīng)用于測(cè)量可導(dǎo)電流體（如污水）在管中的流量（在單位時(shí)間內(nèi)通過管內(nèi)橫截面的流體的體積）。為了簡化，假設(shè)流量計(jì)是如圖研所示的橫截面為長方形的一段管道，它的長、寬、高分別為圖中的a、b、c，流量計(jì)的兩端與輸送流體的管道相連接（圖中虛線），圖中流量計(jì)的上下兩面是金屬材料，前后兩面是絕緣材料。現(xiàn)在流量計(jì)所在處加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向垂直于前后兩面，當(dāng)導(dǎo)電流體穩(wěn)定地流經(jīng)流量計(jì)時(shí)，在管外將流量計(jì)上、下兩表面分別與一串聯(lián)了電阻R的電流表的兩端連接，I表示測(cè)量的電流值。已知液體的電阻率為ρ，不計(jì)電流表的內(nèi)阻，則可求得流量為：

A. ■=（bR+P■） B. ■=（aR+P■）

C. ■=（cR+P■） D. ■=（R+P■）

解析：題中多處用到等效的思想：①由導(dǎo)電液體的流動(dòng)建立導(dǎo)體棒切割磁感線的模型；②由在磁場(chǎng)中的流動(dòng)的液體建立電源的模型；③由管道建立電阻的模型。

等效電動(dòng)勢(shì)：EBL？淄=Bc？淄 等效內(nèi)阻r=P■

由閉合電路歐姆定律：I=■=■ ①

流量Q= ？淄bc ②

聯(lián)立①②兩式得流量Q=■（bR+P■）。

聯(lián)想發(fā)散：閉合回路中有電流時(shí)是一定要有電源的，電源不等同于電池，形式可以是多樣的，如感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、霍耳效應(yīng)等等。

四、結(jié)束語

在課改中，尤其是在減輕負(fù)擔(dān)增加效率的背景下，豐富的教學(xué)內(nèi)容與不斷減少的教學(xué)時(shí)間是一對(duì)十分突出的矛盾。以現(xiàn)行“人教版”物理教材為例，教材更為注重點(diǎn)面結(jié)合，點(diǎn)，主干知識(shí)明確，基礎(chǔ)知識(shí)、基本規(guī)律一個(gè)都不少，面，增加了許多聯(lián)系生產(chǎn)生活的實(shí)際問題和高新科技內(nèi)容，使物理知識(shí)更貼近生活實(shí)際，學(xué)生學(xué)習(xí)物理倍感親切，同時(shí)教材也豐富了課程形式，引入了研究性學(xué)習(xí)、探索性實(shí)驗(yàn)課等等。如何讓學(xué)生在較少的課時(shí)內(nèi)，掌握更豐富的物理知識(shí)和能力，“概念教學(xué)”、“模型類比教學(xué)”教學(xué)不失為一種有效方法。

學(xué)生能夠很好的掌握物理模型，并應(yīng)用物理模型是學(xué)好物理的關(guān)鍵，希望本文能夠?qū)V大物理學(xué)習(xí)愛好者有所幫助。