淺談高中物理模型的類型和建立方法

胡寶

【摘要】物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律的學(xué)科，而實(shí)際的物理現(xiàn)象和物理規(guī)律一般都是十分復(fù)雜的，涉及到許多因素。舍棄次要因素，抓住主要因素，從而突出客觀事物的本質(zhì)特征，這就叫構(gòu)建物理模型。構(gòu)建物理模型是一種研究問題的科學(xué)的思維方法.從本質(zhì)上講，分析和解答物理問題的過程，就是構(gòu)建物理模型的過程。

【關(guān)鍵詞】物理模型 ?物理教學(xué)

物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律的學(xué)科，而實(shí)際的物理現(xiàn)象和物理規(guī)律一般都是十分復(fù)雜的，涉及到許多因素。舍棄次要因素，抓住主要因素，從而突出客觀事物的本質(zhì)特征，這就叫構(gòu)建物理模型。構(gòu)建物理模型是一種研究問題的科學(xué)的思維方法.從本質(zhì)上講，分析和解答物理問題的過程，就是構(gòu)建物理模型的過程。

在物理學(xué)習(xí)中我們可以把物理模型分為三類，即實(shí)體物理模型，狀態(tài)物理模型和過程物理模型。

1：實(shí)體物理模型。實(shí)體物理模型又分為三類：物質(zhì)模型，系統(tǒng)模型，結(jié)構(gòu)模型。

物質(zhì)模型：這種模型是建立在客觀實(shí)體基礎(chǔ)上的，是根據(jù)所討論的物理問題的性質(zhì)和需要，把客觀實(shí)體理想化。其原型是實(shí)際的物體，其任務(wù)是反映事物的表象，要素和性質(zhì)。例如：質(zhì)點(diǎn)，理想流體，理想氣體，點(diǎn)電荷，點(diǎn)光源。

系統(tǒng)模型：在物理學(xué)中，系統(tǒng)是泛指相互作用的對象的全體。他的根本特征是把原型當(dāng)作一個有普遍聯(lián)系，相互作用的有機(jī)整體，他把研究單個實(shí)體轉(zhuǎn)向因素眾多的整體系統(tǒng)。如力學(xué)系統(tǒng)，保守力系統(tǒng)，熱力學(xué)系統(tǒng)，等等。系統(tǒng)模型可以使我們在研究某些物體間的相互作用是，忽略其他物體對他們的影響，物理學(xué)中的定理定律問題等，都是建立在系統(tǒng)物理模型基礎(chǔ)上的。

結(jié)構(gòu)模型：在研究復(fù)雜的物理問題時(shí)，涉及到多個要素，盡管要素是構(gòu)成系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，但最終支配這些要素，決定系統(tǒng)特性的是系統(tǒng)的整個結(jié)構(gòu)。如盧瑟福原子模型，J.J湯姆遜棗糕式模型等等。

2：狀態(tài)物理模型 ?物理學(xué)是一門定量的科學(xué)。馬克思曾說過：“一種科學(xué)只有在它成功地運(yùn)用數(shù)學(xué)時(shí)，才算達(dá)到了真正完善的地步?！币虼?，物理學(xué)不但要有實(shí)體模型，還有有能在數(shù)量上表現(xiàn)實(shí)體模型的運(yùn)動變化，即實(shí)體所處狀態(tài)的狀態(tài)模型。所謂狀態(tài)模型就是用狀態(tài)參量描寫實(shí)體物理模型所處的狀態(tài)。在中學(xué)物理中的狀態(tài)參量有：算術(shù)量（如體積，質(zhì)量，動能），代數(shù)量（如勢能，溫度等）幾何量（如力，速度，加速度等）。一個狀態(tài)往往是由幾個狀態(tài)參量的集合來表征的。如運(yùn)動學(xué)中的勻速直線運(yùn)動是由位移，速度，時(shí)間三個量描寫的;理想氣體狀態(tài)是用壓強(qiáng)，體積，溫度三個參量描寫的。電路狀態(tài)是由電流，電阻，電壓三個參量描寫的;這樣，在確定了物體所處的狀態(tài)之后，我們就可以確定一組來描寫所研究模型的狀態(tài)。狀態(tài)模型是對實(shí)際物理模型的進(jìn)一步抽象，這使得對物理現(xiàn)象的定量描述有了可能。在中學(xué)物理中廣泛使用的圖線和圖像，就是狀態(tài)物理模型的一種直觀描述。如在以狀態(tài)參量為坐標(biāo)軸而建立的坐標(biāo)系中，一個物理狀態(tài)就可以由坐標(biāo)系中的一個點(diǎn)來表示，確定這個點(diǎn)的過程，就是確定物體所處狀態(tài)的過程。

3：過程物理模型 ?自然界中各種物理現(xiàn)象的變化過程是極其錯綜復(fù)雜的，為了突出事物變化過程的主要因素，就需要把物理過程理想化，從而建立過程物理模型。如熱學(xué)中的等溫過程，等壓過程，等容過程，絕熱過程;在力學(xué)中所說的過程即為運(yùn)動如勻速直線運(yùn)動，勻變速直線運(yùn)動，簡諧運(yùn)動等。描寫物理形象變化過程的數(shù)學(xué)解析式就是過程方程，如氣體狀態(tài)方程，牛頓運(yùn)動定律以及一些方程組。當(dāng)然過程物理模型也可以用圖形直觀的表示出來，在坐標(biāo)系中由狀態(tài)變量構(gòu)成的點(diǎn)表示了狀態(tài)物理模型，這些狀態(tài)點(diǎn)連成的軌跡就是過程物理模型的直觀表述。

高中物理模型實(shí)際的建模方法多種多樣。模型的構(gòu)建，需采用對應(yīng)的方法。實(shí)際物理建模時(shí)，使用什么樣的建模方法，應(yīng)根據(jù)物理原型本身的性質(zhì)和建模的具體需要來決定物理模型的構(gòu)建，常用方法如下。

1、量綱分析法：在物理模型構(gòu)建時(shí)，可以利用量綱分析法來找到相關(guān)物理量間的相互關(guān)系，從而構(gòu)建出相應(yīng)的物理模型，如單擺周期模型。

2、科學(xué)抽象法：抽象是指從具體事物中提煉出某個或某些方面、某些屬性等.如隔離法確定研究對象、天體做勻速圓周運(yùn)動、理想彈簧模型。

3、理想化法：是對研究對象或物理過程加以簡化，抓住主要因素，忽略次要因素，找出它們在理想狀況下所遵循的基本規(guī)律，并構(gòu)建出相應(yīng)的物理模型.如剛體、輕桿、平動運(yùn)動、理想氣體模型、伽利略斜面實(shí)驗(yàn)等。

4、類比法：許多物理現(xiàn)象彼此之間存在著許多相同或相似的物理屬性，人們由此推測它們之間也存在著一些另外的共性.如光與聲具有反射、折射等屬性，惠更斯據(jù)此提出了光的波動模型;微觀粒子與光一樣具有粒子性，德布羅意建立了物質(zhì)波模型;盧瑟福根據(jù)原子結(jié)構(gòu)與太陽系類似，建立起了原子的行星結(jié)構(gòu)模型。

5、等效替代法：當(dāng)所研究的物理問題比較隱蔽、復(fù)雜、難于直接研究時(shí)，可以用等效替代法建立起相應(yīng)的比較簡單、易于研究的等效物理模型，可分為過程等效替換（帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的類平拋運(yùn)動）、作用等效替換（運(yùn)動的合成與分解）、等效結(jié)構(gòu)（彈簧振子和LC振蕩電路）等等。

6、微元法：在構(gòu)建物理模型時(shí)，將研究對象或物理過程視作由許多微小體或元過程組成，而所研究的對象或物理過程整體所遵循的物理規(guī)律，可通過積分來得到，如勻變速運(yùn)動的位移公式。

7、假想法：當(dāng)所研究的物理現(xiàn)象不能直接觀察，或現(xiàn)有的物質(zhì)、實(shí)驗(yàn)條件還不能進(jìn)行真實(shí)模擬時(shí)，人們可根據(jù)已知的物理原理、物理規(guī)律對所研究的物理現(xiàn)象提出一種假定性的推測和說明，從而建立起相應(yīng)的物理模型，如牛頓第一定律、機(jī)械能守恒定律等。