簡論解決物理問題的模型思維方法

馬華麗

【摘要】物理模型思維在中學(xué)的研究和學(xué)習(xí)中是物理學(xué)習(xí)、分析處理和解決物理問題的思維方法。通過簡化和純化研究對象及其所處的狀態(tài)和發(fā)展變化的過程，大大的方便了對物理問題的處理。在許多實際的物理問題中，有些研究對象以及它們所處的狀態(tài)和發(fā)展變化的過程都比較接近物理模型，更拓寬了物理模型的應(yīng)用范圍。

【關(guān)鍵詞】物理問題 模型思維 模型分類 模型轉(zhuǎn)換

高中階段學(xué)生解決問題存在的困難就在于不能隨著物理情景的變化而建立恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?，從而尋找適合的物理規(guī)律。學(xué)生由于思維定勢，拿到實際題目后不能從審題中確定準(zhǔn)確的物理圖景，建立恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ停窍氘?dāng)然的和以往的題目做比較，熟悉的就套公式，不熟悉的就無從下手，長期就導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)物理沒有興趣，不知來龍去脈，更談不上從解題過程中鞏固基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)各種思維能力的目的。因此在高中物理教學(xué)中一定要重視物理模型思維方法的培養(yǎng)。

一、模型的分類

物理模型是一個理想化的形式，可以從不同的角度有不同的區(qū)別，為了便于理解和應(yīng)用，根據(jù)中學(xué)物理教學(xué)和教學(xué)功能模型的特點，可以分為三類：對象模型，條件模型，過程模型。

（一）對象模型

在具體的物質(zhì)組成的地方使用，被稱為代表實體對象系統(tǒng)的對象模型。這種類型的模型是最常見的，在高中物理中剛體、杠桿，輕彈簧，質(zhì)子、單擺、彈簧振子、分子模型，絕緣材料、黑體、理想導(dǎo)體、絕緣體、理想電表、純電阻、無限長螺線管，薄透鏡原子的核結(jié)構(gòu)模型等。

（二）過程模型

具體的物理過程理想化，抽象的純物理過程，被稱為過程模型。事情的性質(zhì)發(fā)生變化的各種路徑是極其復(fù)雜的，在物理學(xué)的研究，不可能面面俱到。主要是區(qū)分其主要因素和次要因素，然后忽略次要因素，在運動的過程中獲得變化結(jié)果，以便只留下的主要因素。理想的模型，如勻速直線運動，勻變速直線運動等運動過程，都是以突出某一方面的主要特點，忽略一些二次加工后的過程而抽象成為理想的過程。這些都是一個過程模型。

（三）狀態(tài)模型（也稱為有條件的模型）

研究的外部條件是處于理想狀態(tài)中，排除在外部條件的次要因素的干擾是研究運動的本質(zhì)特征，突出的外部條件，是我們之所以建立物理模型的最重要因素。因此而建立的模型被稱為狀態(tài)模型。如光滑平面，燈桿，燈繩，均勻介質(zhì)，均勻的電場，等等，都屬于有條件的模型。有條件的模型的建立，是為了簡化問題的復(fù)雜性，從而在一種理想的運動狀態(tài)中得出它的運動模式。

在教學(xué)中根據(jù)中學(xué)物理中的大量實際問題的諸多特點而建立的上述三種模式，事實上，在相同的物理問題，往往需要創(chuàng)建多個模型，多種模型往往利用集成的物理問題的研究不可分離的模型，我們不能僅僅滿足對知識的學(xué)習(xí)，應(yīng)基于物理的思維方式，注意方法的滲透，自覺學(xué)習(xí)，注意加強意識的模型，選擇適當(dāng)?shù)哪Ｊ絹斫鉀Q物理問題。

二、模式轉(zhuǎn)型

理想的模式是不僅物理學(xué)賴以建立的基本思路，而且在解決實際問題的重要途徑和方法用于物理。物理模型是有限的，但客觀事物是無限的，尤其是高中物理教學(xué)，由于學(xué)生所學(xué)的物理知識和數(shù)學(xué)能力的限制，約束，許多物理模型不能直接抽象為學(xué)生熟悉與模型。這就需要我們引導(dǎo)學(xué)生某些類型的操作，他們是熟悉另外一個陌生的模型的替代模型，只要在該模型的前提下，同樣的效果轉(zhuǎn)換，往往使問題變得更簡單，更具體，更生動，更容易掌握。

（一）變換研究對象進行模型轉(zhuǎn)換

一個物理問題中總會涉及到很多物體，解決問題時首先應(yīng)明確研究對象，根據(jù)題目的要求選擇恰當(dāng)?shù)难芯繉ο髮τ诮忸}過程是否順利起著決定性的作用。有時研究對象選單個物體，有時選多個相互作用的物體組成的系統(tǒng)，還有時在同一個問題中須根據(jù)研究過程情景的變化靈活變換研究對象來解決問題。

（二）認(rèn)真分析運動過程進行模型轉(zhuǎn)換

一個物理問題的解決，很重要的方面是物理過程和物理狀態(tài)的分析，只有深刻透析過程中的物理性質(zhì)的分析，可以發(fā)現(xiàn)其所按照規(guī)律，以便選擇適當(dāng)?shù)奈锢砉?，解決未知的參數(shù)和未知量，以達(dá)到解決問題的目的。

（三）恰當(dāng)選擇參考系進行模型轉(zhuǎn)換可達(dá)事半功倍的效果

在研究物體的運動之前必須首先選定參考系，習(xí)慣上大家都選相對于地面不動的物體為參考系。但是，有時這樣選擇后卻使得問題特別復(fù)雜而難以解決。因此為了研究的方便，也可以視問題的具體情況巧妙的選用其他物體做參考系（如兩車的追及問題、同時開始的自由落體問題等），從而可簡化求解過程。

（四）利用等效思維轉(zhuǎn)換模型

物理等效思維意味著從同等效力的研究和學(xué)習(xí)的物理現(xiàn)象和物理過程的思維方式之間的事情，并分析物理問題和運用解決物理問題的思維形式。使用物理問題簡化為相當(dāng)于實際復(fù)雜的物理現(xiàn)象和物理過程或物理問題的思維，并轉(zhuǎn)換為等效的理想和簡單的物理現(xiàn)象，物理過程或物理問題來研究和處理。

（五）適當(dāng)運用逆向思維建立模型，化繁為簡，提高解題能力

逆向思維是一種與傳統(tǒng)的、邏輯的或群體的思維方向完全相反的思維方式。它善于從相反的角度、不同的立場、不同的側(cè)面去思考問題，當(dāng)某一思路受阻時，能夠迅速轉(zhuǎn)移到另一思路，從而使問題得到順利的解決。例如，法拉第在“電能生磁”的基礎(chǔ)上進行逆向思維，萌發(fā)了“磁能否生電”的想法，終于發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，導(dǎo)致了電氣化時代的誕生。

（六）對實際問題進行理想化處理建立模型，培養(yǎng)抽象思維能力

所謂理想化，就是把客體抽象成模型的思維方法。為了剖析復(fù)雜繁瑣的物理現(xiàn)象，物理學(xué)家通常取用簡單化的方法，對客體進行科學(xué)化、邏輯化的抽象。在制約著研究對象的眾多主次因素里，把作用小并且不影響本質(zhì)的次要因素予以刪略，將事物抽象成只具有不影響原事物功能和特質(zhì)的核心因素的模型。理想化是物理學(xué)中最重要的科學(xué)方法之一，中學(xué)物理教材幾乎全都是在理想化思想指導(dǎo)下取得的人類智慧的結(jié)晶。自由落體運動、拋體運動、勻強電場等等，無一不是理想化的過程或模型。

一般來說，在簡要說明物理估計問題過程中，所給的已知數(shù)據(jù)是有時很少，有時太多，這些已知量和未知量之間的關(guān)系還遠(yuǎn)未明朗，往往夾雜一些干擾因素。因此，解決實際的物理問題時，我們必須先仔細(xì)分析預(yù)設(shè)的物理現(xiàn)象，對給定的物理情景進行深入的分析，抽象出物理過程的本質(zhì)，明確解決的知識范圍的問題，澄清有關(guān)概念，適當(dāng)?shù)倪x擇物理定律，應(yīng)用物理知識實現(xiàn)準(zhǔn)確定位，從而達(dá)到解決問題的目的。