物理模型在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用*

李化南，張 健

(1.吉林師范大學(xué)物理學(xué)院， 吉林 四平136000；2. 北京師范大學(xué)物理系，北京 100875)

物理模型在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用*

李化南1，張 健2

(1.吉林師范大學(xué)物理學(xué)院， 吉林 四平136000；2. 北京師范大學(xué)物理系，北京 100875)

物理模型是中學(xué)物理知識(shí)的重要載體.從物理模型的定義出發(fā)將物理模型分為理想模型和理論模型兩大類(lèi)別.舉例說(shuō)明了物理模型在物理規(guī)律教學(xué)和物理量定義上的應(yīng)用；物理模型應(yīng)用于物理教學(xué)，可有效促進(jìn)學(xué)生知識(shí)的建構(gòu)，提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力.最后指出，物理模型有一定的適用條件和適用范圍，并且是發(fā)展變化的.

物理模型；中學(xué)；物理教學(xué)

引言

閻金鐸先生曾把物理教育中的科學(xué)方法劃分為三個(gè)層次：第一層次是具體方法，第二層次是邏輯方法，第三層次是分析和解決問(wèn)題的方法[1].首都師范大學(xué)的邢紅軍教授則指出：建立物理模型的方法是其中第三個(gè)層次的方法，亦是最高層次的科學(xué)方法[2].將物理模型視為最高層次的科學(xué)方法是由物理模型的價(jià)值和性質(zhì)所決定的，正如法國(guó)著名的方法論學(xué)者阿雷諾所說(shuō)：“因?yàn)榭茖W(xué)的基本活動(dòng)就是探索和制定模型”[3].可見(jiàn)在中學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)當(dāng)突出物理模型的重要地位，因?yàn)槲锢砟Ｐ褪侵袑W(xué)物理知識(shí)的重要載體，是學(xué)生構(gòu)建物理概念和物理規(guī)律的重要工具，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，掌握科學(xué)研究方法的一種重要媒介.

1 物理模型的分類(lèi)

在物理理論研究與教學(xué)中為了揭示事物的物理本質(zhì)，探索物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，需要對(duì)客觀物質(zhì)進(jìn)行加工，剔除其非本質(zhì)因素，把握本質(zhì)實(shí)在；忽略事物的次要矛盾，考慮其主要矛盾；忽略個(gè)性差異，考慮共性相似，從而進(jìn)行高度的抽象與概括.經(jīng)過(guò)此思維過(guò)程所形成的抽象概念或?qū)嵨矬w系即物理模型，它是抽象性與形象性、科學(xué)性與假設(shè)性的辯證統(tǒng)一.

在中學(xué)物理教學(xué)與研究中，處理和解決物理問(wèn)題都應(yīng)遵循以下四個(gè)主要的步驟：①明確研究對(duì)象，隔離所研究的物體或物理體系(即who);②分析物體或體系的狀態(tài)，尋找解決問(wèn)題的突破點(diǎn)(即what);③注重物體或體系的動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，把握變化規(guī)律和趨勢(shì)(即how);④運(yùn)用恰當(dāng)規(guī)律，選取相應(yīng)的物理模型進(jìn)行求解(即which).基于對(duì)上述解決問(wèn)題思路的理解，可將常見(jiàn)物理模型劃分為理想模型和理論模型兩大類(lèi).理想模型,它是根據(jù)研究對(duì)象和問(wèn)題的需要, 撇開(kāi)、舍棄其次要的、非本質(zhì)的因素,抓住其主要的、本質(zhì)的因素, 從而人為地建立的一個(gè)易于分析研究的、能近似反映研究對(duì)象主要特征和物理實(shí)在的新的形象[4].理想物理模型是科學(xué)抽象與概括的結(jié)果.理論模型,它是在觀察、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 經(jīng)過(guò)物理思維,對(duì)某一物理客體和研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)、相互作用、運(yùn)動(dòng)規(guī)律等所作的一種簡(jiǎn)化和具體的描述[4].這種描述能解釋某些物理現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)事實(shí)，具有化無(wú)形為有形，化抽象為具體的功效，能從某一方面反映事物的物理特性，進(jìn)而進(jìn)一步的指導(dǎo)研究的開(kāi)展.且因此種描述時(shí)常以假說(shuō)的形式存在，因而也稱(chēng)為物理假說(shuō).

2 物理模型在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

2.1運(yùn)用物理模型進(jìn)行物理規(guī)律教學(xué)

物理規(guī)律是物理學(xué)科體系的核心要素.它反映了物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)中諸要素之間內(nèi)在的必然聯(lián)系，表現(xiàn)為某物理狀態(tài)或物理過(guò)程中相關(guān)要素之間在一定條件下所遵從的關(guān)系，通常有定律、定理、原理、法則、方程等形式[5].物理規(guī)律教學(xué)對(duì)于學(xué)生學(xué)好物理知識(shí)、運(yùn)用物理規(guī)律解決實(shí)際問(wèn)題，具有關(guān)鍵作用.如能恰當(dāng)運(yùn)用物理模型可以使物理規(guī)律易于理解，更好地納入學(xué)生已經(jīng)建構(gòu)的知識(shí)體系中去.譬如在電磁相互作用教學(xué)中，有這樣一個(gè)問(wèn)題：把輕質(zhì)導(dǎo)線圈用絕緣細(xì)線懸掛在條形磁鐵N極附近，當(dāng)線圈通入電流(圖1)時(shí)，判斷線圈如何運(yùn)動(dòng).

根據(jù)等效模型思想，把圓圈電流看成扁形磁鐵，由安培定則得知扁磁鐵右端為N極，左端為S極，故可判斷線圈向左運(yùn)動(dòng)(圖1).

圖1 將圓圈電流視為磁鐵

通過(guò)這一等效模型便可以使學(xué)生清楚地了解作用過(guò)程，開(kāi)拓學(xué)生的思路，提高其解決實(shí)際問(wèn)題的能力.再如在“動(dòng)量守恒定律”的教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)這是自然界最普遍的規(guī)律，它成立的條件是研究對(duì)象(系統(tǒng))所受的合外力必須為零.然而在應(yīng)用中，只要合外力遠(yuǎn)小于內(nèi)力時(shí)，就可做近似處理，把合外力忽略，這就是忽略次要因素，抓住主要因素這一模型思想的應(yīng)用.

2.2運(yùn)用物理模型定義新的物理量

許多物理概念用定量的方法來(lái)描述客觀事物的本質(zhì)屬性，如速度、加速度、電場(chǎng)強(qiáng)度、電阻、電壓等，這類(lèi)物理概念稱(chēng)為物理量[5].在中學(xué)物理教材中，很多物理量則是通過(guò)引入物理模型而定義的.例如電場(chǎng)強(qiáng)度E的定義，則是先引入了試探電荷這一模型(這一模型要求試探電荷①尺寸足夠小，能夠用于檢測(cè)空間點(diǎn)的性質(zhì)；②電量足夠小，保證其引入不影響原電場(chǎng)的性質(zhì))，然后通過(guò)測(cè)量試探電荷在不同場(chǎng)點(diǎn)的受力情況，根據(jù)F/q在同一場(chǎng)點(diǎn)不變的特點(diǎn)，引入了空間點(diǎn)函數(shù)E，用于描述電場(chǎng)的大小及方向.同理在定義磁感應(yīng)強(qiáng)度B時(shí)，也是借助于運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)電荷.再如在熱學(xué)中，引入了完全彈性的剛性小球模型，進(jìn)而定義了理想氣體是不考慮分子勢(shì)能，即分子間無(wú)相互作用的氣體.利用物理模型來(lái)研究物理規(guī)律，不僅是一種研究方法，而且能提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力，在教學(xué)中將這種思想潛移默化地教給學(xué)生會(huì)得到事半功倍的效果.

2.3運(yùn)用物理模型促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解

很多中學(xué)生反映中學(xué)物理難學(xué)，其原因無(wú)非有二：其一，隨著高考命題趨向的改變，命題朝著注重應(yīng)用性的轉(zhuǎn)變，這使得很多學(xué)生難以在復(fù)雜的情境中把握主要因素，選擇恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ瓦M(jìn)行求解；其次，由于學(xué)生難以把握物理模型的使用條件和物理實(shí)在，只是膚淺的認(rèn)知了模型，缺乏深入的思考分析.在物理教學(xué)中，若能將物理模型“活教活用”，則可以培養(yǎng)學(xué)生的建模能力，解決應(yīng)用性問(wèn)題.以“拋體運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)為例，通過(guò)建立直角坐標(biāo)系，引導(dǎo)學(xué)生把拋體的速度分解為正交的兩個(gè)方向，然后分析兩個(gè)分量方向的受力情況，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到水平方向是勻速直線運(yùn)動(dòng)，豎直方向拋體參與勻變速直線運(yùn)動(dòng)，此兩種模型運(yùn)動(dòng)的合成便是拋體運(yùn)動(dòng).這種思路使得學(xué)生深刻地理解了運(yùn)動(dòng)合成的性質(zhì)，有種豁然開(kāi)朗的感覺(jué).

2.4運(yùn)用物理模型提高解決問(wèn)題的能力

“學(xué)貴于用”是學(xué)生學(xué)習(xí)的目標(biāo)，也只有在應(yīng)用中才能評(píng)估學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)中的不足，考察學(xué)生舉一反三的能力.如果能夠靈活運(yùn)用物理模型，則解決問(wèn)題便可得心應(yīng)手，迅速找到解題的突破點(diǎn).以下通過(guò)具體例題，凸顯物理模型在解題中的“奇妙效果”.

例題1 問(wèn)題如圖2所示：物體A、B之間夾著一根壓縮的輕彈簧，放在光滑水平面上的小車(chē)內(nèi)，兩物塊質(zhì)量mAgt;mB，與車(chē)廂的動(dòng)摩擦因數(shù)相等，釋放彈簧，物塊在很短時(shí)間內(nèi)與彈簧分離，分別向左向右運(yùn)動(dòng)，彈簧垂直掉落不動(dòng)，兩物塊相對(duì)小車(chē)靜止時(shí)都未與車(chē)壁相碰，問(wèn)兩物塊是否同時(shí)靜止？小車(chē)最終相對(duì)地面朝哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)？

圖2 人船模型的應(yīng)用

解析：這是“人船模型”的應(yīng)用.小車(chē)，木塊和彈簧系統(tǒng)動(dòng)量守恒，初狀態(tài)靜止質(zhì)心應(yīng)不動(dòng).彈簧釋放，若車(chē)不動(dòng)，兩物塊分別向左右運(yùn)動(dòng)，A停止B還在向右運(yùn)動(dòng)，物塊質(zhì)心向右運(yùn)動(dòng)，為保證系統(tǒng)質(zhì)心不動(dòng)，小車(chē)就必須向左移動(dòng).

例題2 問(wèn)題如圖3所示：質(zhì)量為m的小球在距地面高度為H處以水平速度v0拋出，在小球拋出點(diǎn)前方直立一個(gè)擋板，如果小球與擋板發(fā)生彈性碰撞，求小球落地點(diǎn)與擋板的水平距離S.

圖3 平面鏡模型的應(yīng)用

解析：本題是對(duì)平面鏡等效模型的考查.小球平拋運(yùn)動(dòng)中與擋板發(fā)生彈性碰撞，其速度方向發(fā)生改變，碰撞前后的速度方向滿足反射定律.故而，類(lèi)比平面鏡成像特點(diǎn)，將擋板看做一面平面鏡，則實(shí)際下落點(diǎn)C和沒(méi)有擋板時(shí)的下落點(diǎn)C′關(guān)于鏡面對(duì)稱(chēng)，不難解得小球的落地點(diǎn)與直立擋板的水平距離為：

物質(zhì)是不斷地發(fā)展和變化的，因而物理學(xué)的理論體系也是絕對(duì)和相對(duì)的辯證統(tǒng)一，體現(xiàn)在任何的物理概念和物理規(guī)律都有一定的使用條件和使用范圍，并不存在絕對(duì)的永恒的定律.物理模型作為對(duì)客觀實(shí)際的抽象和近似，也有其適用條件.在使用物理模型時(shí)，首先要明確物理模型的研究主題，選擇滿足條件的物理模型，再有就是要學(xué)會(huì)辯證思維方法，知道物理模型是發(fā)展變化的.

[1]閻金鐸.九年義務(wù)教育初級(jí)中學(xué)物理教學(xué)大綱審查說(shuō)明[J].學(xué)科教育，1992，(4)：27-29.

[2]邢紅軍.物理教學(xué)心理學(xué)[M].成都：成都科技大學(xué)出版社，1994.

[3]王溢然.模型[M].鄭州：大象出版社，1999.

[4]田世昆, 胡衛(wèi)平. 物理思維論[M]. 南寧: 廣西教育出版社,1996 .

[5]閻金鐸，郭玉英.中學(xué)物理教學(xué)概論[M].北京：高等教育出版社，2009.

TheApplicationofPhysicalModelinMiddleSchoolTeaching

LI Hua-nan1， ZHANG Jian2

(1.College of Physics, Jilin Normal University, Siping Jilin 136000, China;2.Department of Physics, Beijing Normal University, Beijing 100875,China)

The physical model is an important carrier of the middle school physics knowledge. Starting from the definition of the physical model，the physical models can be divided into two broad categories, that is the idealized models and the theoretical models. The application of physical models in physics teaching and the definition are elaborated by examples; the application of physical models in teaching practice, is effective for students to construct knowledge, and is helpful to strengthen students’ ability to solve problems. Finally, this paper emphasizes that the usage of the physical models has certain conditions and the scope, and the physical models are developing and changing.

physical model; middle school; physics teaching

1673-2103(2013)05-0113-03

2013-10-16

李化南(1975-)，女，遼寧沈陽(yáng)人，講師，碩士，在讀博士研究生，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)法等.

G633.7

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