物理教學(xué)中模型法的應(yīng)用

【摘 " "要】模型法作為科學(xué)研究的一種最基礎(chǔ)的方法，已在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中日益受到重視，文章介紹了替代模型、物理相似模型、過(guò)程模型和模型放大等幾種模型方法。

【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn) "模型法 "替代模型 "相似模型 "過(guò)程模型 "模型放大

模型法是通過(guò)設(shè)計(jì)與原型（自然現(xiàn)象或過(guò)程）相似的模型，并利用該模型來(lái)間接地研究原型規(guī)律的方法。它隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，是人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界最基礎(chǔ)的方法之一。此法應(yīng)用于物理教學(xué)可使事過(guò)境遷或稍縱即逝的自然現(xiàn)象或過(guò)程在實(shí)驗(yàn)室重現(xiàn)，可將現(xiàn)象簡(jiǎn)化或進(jìn)行時(shí)空的放大、縮小，可對(duì)那些既不能打開(kāi)，又不能從外部直接觀察其內(nèi)部狀態(tài)的系統(tǒng)進(jìn)行研究。特別是解決那些尚無(wú)簡(jiǎn)單有效的儀器可演示的實(shí)驗(yàn)，模型法則成了一種重要的輔助手段。

物理實(shí)驗(yàn)中的模型法，根據(jù)其特點(diǎn)及主要功能，并結(jié)合本人教學(xué)實(shí)踐，分為以下四類。

一、替代模型

就是用放大或縮小了的、相似的，而又能反映事物某方面規(guī)律的客觀實(shí)體來(lái)代替研究對(duì)象的方法叫替代模型。

替代模型的設(shè)計(jì)思想主要在于下述兩種情況：其一是為了突出客觀實(shí)體的主要矛盾和本質(zhì)特征，摒棄次要的非本質(zhì)因素，使研究對(duì)象從客觀實(shí)體中直接抽象出來(lái)。如質(zhì)點(diǎn)、理想氣體、彈簧振子、點(diǎn)電荷、純電阻等理想模型，以及天體運(yùn)動(dòng)模型，微觀結(jié)構(gòu)等幾何相似模型。在研究二極管的單向?qū)щ娦詴r(shí)，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，運(yùn)用替代模型法，用自行車氣門和進(jìn)水閥門來(lái)模擬二極管的單向?qū)щ娦?。如此，不但加深?duì)“單向性”的認(rèn)識(shí)，而且激發(fā)了興趣，開(kāi)闊了思路。其二是為了解釋某些行為和特征而建立起來(lái)的模型。

二、物理相似模型

在科學(xué)研究和工程技術(shù)的許多領(lǐng)域中，人們常常希望利用模型試驗(yàn)來(lái)代替對(duì)實(shí)際現(xiàn)象的研究，以便使我們可能在一定程度上預(yù)言某些在目前尚無(wú)法達(dá)到的條件下出現(xiàn)的情況。例如用水代替石油研究其在管道中的運(yùn)動(dòng)，用閉合電路中的導(dǎo)線在鋼錯(cuò)上摩擦產(chǎn)生電磁波等。其特點(diǎn)即模型與原型遵循同樣的物理規(guī)律，故稱為物理相似模型。

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的“失重和超重模型實(shí)驗(yàn)”，“馬德堡半球”，帕斯卡裂桶等，均是物理相似模型的范例。

磁感線是用來(lái)形象地描述磁場(chǎng)的假想的曲線。做好“磁感線”的演示實(shí)驗(yàn)?zāi)M，對(duì)實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)十分重要。因此我們可利用蓖麻油、鐵屑、磁鐵來(lái)做好這個(gè)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生記憶深刻。

三、過(guò)程模型

把具體物理過(guò)程純粹化、理想化，并根據(jù)其本質(zhì)特征而設(shè)計(jì)的一種模型叫過(guò)程模型。其特點(diǎn)是過(guò)程簡(jiǎn)化，易于控制。

氣體壓強(qiáng)的分子運(yùn)動(dòng)論觀點(diǎn)，通常采用雨滴打傘等面來(lái)類比。這種大量分子對(duì)器壁連續(xù)碰撞的過(guò)程，如果用豆（或沙）落在平衡天平一端倒扣著的托盤底上的現(xiàn)象來(lái)模擬，就顯得直觀生動(dòng)了。裝有鐵屑的試管模擬鐵棒的磁化和退磁等都是過(guò)程模型的成功例子。

分析曲線運(yùn)動(dòng)的思想方法——運(yùn)動(dòng)的分解是個(gè)難點(diǎn)，可以平拋運(yùn)動(dòng)為突破口，在演示有關(guān)實(shí)驗(yàn)后，用“慢鏡頭”的方法，手持粉筆頭邊走（模擬水平勻速直線運(yùn)動(dòng)）邊沿自身前方，從上向下加速下移，以此模擬平拋運(yùn)動(dòng)，既簡(jiǎn)單明了，又便于分析。熱學(xué)中的統(tǒng)計(jì)方法，由于受課堂教學(xué)時(shí)間的限制，怎樣從個(gè)別事件的無(wú)規(guī)律過(guò)渡到大量事件的有規(guī)律，成了模擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，在教學(xué)中采用全同等可能過(guò)程，在不同時(shí)刻的空間比較可以等效變換成同一時(shí)刻不同狀態(tài)的比較的方法，讓全班同學(xué)同時(shí)擲幣若干次，然后統(tǒng)計(jì)比較下列情況“國(guó)徽”朝上的次數(shù)：（1）某同學(xué);（2）某小組同學(xué);（3）全班同學(xué)。從而使學(xué)生既突破了難點(diǎn)又受到一次生動(dòng)的方法論教育。

四、模型放大

在物理概念和規(guī)律教學(xué)中，學(xué)生往往對(duì)那些不易觀察或不能從外部直接觀察其內(nèi)部狀態(tài)的規(guī)律，因缺乏形象的感性材料而引起思維障礙。模型放大正是采用空間放大和時(shí)間放大的方式，抓住本質(zhì)特征，展現(xiàn)其生動(dòng)直觀形象，從而促進(jìn)思維順利進(jìn)行。

液體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系學(xué)生比較陌生，可以通過(guò)模型放大的方法加以演示，讓學(xué)生加深印象。具體方法是：把灌足有色水的氣球跟各部分粗細(xì)不同，且在粗細(xì)不同的地方有豎直小側(cè)管的水平玻璃管連接，讓豎直小側(cè)管管口向上。由于氣球膜的收縮力對(duì)水產(chǎn)生的水壓使氣球內(nèi)的水通過(guò)玻璃管流出，這時(shí)我們看到，水在各個(gè)側(cè)管中上升的高度不同，接玻璃管粗處側(cè)管的水面升得較高，接玻璃管細(xì)處側(cè)管的水面升得較低，這說(shuō)明流動(dòng)液體的壓強(qiáng)在管道細(xì)的地方比粗的地方小，而在同一管道中，管道細(xì)的地方液體流速大，管道粗的地方液體流速小，故實(shí)驗(yàn)表明：液體流速大處壓強(qiáng)小，液體的流速小處壓強(qiáng)大。如果我們用手?jǐn)D壓氣球，這時(shí)看到玻璃管中水的流速加大，同時(shí)所有小側(cè)管中的水面下降;松手停止擠壓氣球，可看到玻璃管中水的流速變小，同時(shí)所有小側(cè)管中的水面上升。用這個(gè)方法，我們可以演示，液體流速大時(shí)壓強(qiáng)小，流速小時(shí)壓強(qiáng)大。

力的分解，關(guān)鍵是根據(jù)力產(chǎn)生的效果來(lái)確定分力的方向。其中三角支架是典型的問(wèn)題，在教學(xué)中教師由兩個(gè)同學(xué)配合，一個(gè)同學(xué)用手撐著腰，另一個(gè)同學(xué)在手的肘部用力豎直往下拉，讓他感受力的作用效果。在講摩擦力的方向時(shí)，用長(zhǎng)毛板刷來(lái)模擬放大物體的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，一目了然。

綜上所述，模型法作為科學(xué)研究中的一種最基礎(chǔ)的方法，已在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中日益受到人們的重視。這種方法，必將在開(kāi)拓設(shè)計(jì)思路，激發(fā)學(xué)生興趣，突破教學(xué)難點(diǎn)等方面發(fā)揮其獨(dú)特作用。