談物理模型在物理學習中的應用

毛國方

摘 要：本文從基礎物理模型的積累、新建物理模型、實現(xiàn)模型的遷移入手，結合具體實例說明了物理模型在應用的過程中要注意其內在的本質和雷同模型間的區(qū)別，對復雜物理問題要學會物理模型的整合，從而有效提高物理學習的能力。

關鍵詞：物理模型；基礎；遷移；綜合

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A 文章編號：1992-7711（2016）17-084-1

物理源自于生活，但生活又往往是錯綜復雜，它們之間又互相聯(lián)系，互相制約。在實際規(guī)律的研究過程中，對實際問題進行抽象化處理，保留主要因素，略去次要因素，得到一種能反映原物質本質特性的理想的物質（過程）或假想結構，此即為物理模型。能迅速、準確地建立物理模型是處理物理問題的前提和基礎。使學生積累一些基本物理模型，掌握建立物理模型的一些基本方法，準確把握物理模型的內涵，認清復雜問題的物理模型的整合，可以快速理清物理問題的本質，提高學生處理實際問題的能力。

一、積累各種基礎物理模型

1.將抽象問題具體化的模型。

通過建立物理模型可以使一些看不見、摸不著的客觀事物變得具體化、形象化，從而便于指示它的特征，研究它的變化規(guī)律。例如，人們在描述磁場時，引入了磁感線模型。磁感線并不是磁場中實際存在的曲線，而是一系列假想出來的曲線。雖說是假想，但是這些曲線并不是人們憑主觀愿望臆造出來的，是人們通過在磁鐵周圍灑上鐵屑，觀察鐵屑的分布特點，得出磁場的性質，從而“模擬”出那樣的磁感線，這樣就便于人們研究磁場的各種性質。此外，高中物理中的“光線”、“電場線”都是該種將抽象化事物變得具體的物理模型。

2.將復雜問題簡化或理想化的模型。

將比較復雜的實際問題進行簡化或理想化，從而建立起理想化物理模型。例如，研究地球繞太陽的公轉速率，就可忽略地球的大小和形狀而抽象為只有質量和位置的“質點”。這些理想化的物理模型是人們在長期的生產(chǎn)、生活以及科研活動中概括、總結出來的經(jīng)典模型。

二、利用已有模型建立新的物理模型

有些物理現(xiàn)象、規(guī)律，我們無法直接展示，比較抽象，這時如果我們用已有的物理模型作類比，可以幫助學生建立新的合理的物理模型。

例如：對于分子間的作用力，其引力和斥力是同時存在的，但有時引力大于斥力，有時引力等于斥力，有時引力小于斥力。教學中為了讓學生形象地理解這一知識，可引入這樣一物理模型作類比：一彈簧一端各有一個小球，當彈簧處于自然狀態(tài)時，相當于分子處于平衡位置距離，引力等于斥力；當彈簧被拉長時，相當于分子距離大于平衡位置距離，引力大于斥力，表現(xiàn)為引力；當彈簧被壓縮時，相當于分子距離小于平衡位置距離，引力小于斥力，表現(xiàn)為斥力。

三、準確把握物理模型的內涵

要對事物形成理性的認識，往往要經(jīng)歷一個過程。通過學習，學生在頭腦中形成了一定的物理模型，但往往有把握不準的

問題。及時地舉例、練習、矯正，幫助學生準確地把握物理模型。

例1：2012年8月7日倫敦奧運會體操男子單桿決賽，荷蘭選手宗德蘭德榮獲冠軍.若他的質量為60kg，做“雙臂大回環(huán)”，用雙手抓住單杠，伸展身體，以單杠為軸做圓周運動.此過程中，運動員到達最低點時手臂受的總拉力至少約為多大？（忽略空氣阻力，g=10m/s2）

分析：本題的物理模型是物體在豎直平面內的圓周運動，而該模型研究物體通過最高點時有三種情況，一是繩子模型，只能提供向下的拉力；二是拱形橋模型，只能提供向上的支持力；三是硬桿模型，既能提供向下的拉力，又提供向上的支持力。分析本題給出的情景，人的手臂在人處于最高點時可以支撐，屬于硬桿模型，所以在最高點的速度可以為零。

三、加強物理模型的整合

復雜問題一般是簡單問題的綜合，教學中教師要有意識地引導學生對各物理模型進行分類，比較，形成系統(tǒng)完整的知識體系。同時，在應用注意物理模型的整合，從而構建條理清晰的物理圖景。

例2：如圖所示，MN、PQ是間距為L的平行金屬導軌，置于磁感應強度為B，方向垂直導軌所在平面向里的勻強磁場中，M、P間接有一阻值為R的電阻.一根與導軌接觸良好、有效阻值為R2的金屬導線ab垂直導軌放置，并在水平外力F的作用下以速度v向右勻速運動，則（不計導軌電阻）（ ）.

A.通過電阻R的電流方向為P→R→M

B.a、b兩點間的電壓為BLv

C.a端電勢比b端高

D.外力F做的功等于電阻R上發(fā)出的焦耳熱

分析：本題的模型可以看成是兩個簡單模型的合成，一是導體棒在勻強磁場中運動切割磁感線產(chǎn)生電動勢模型，導線ab向右勻速運動，就相當于是一個電源；二是閉合電路模型，ab相當于電源，ab電阻相當于電源的內阻，電阻R相當于外電路的電阻。

通過對各個物理模型的積累、比較、總結，可以使學生頭腦中的各個物理模型更加清晰，形成較完整的物理模型體系，同時培養(yǎng)了學生善于總結物理現(xiàn)象、規(guī)律中的異同的能力，為學生在解決實際問題時練就“去偽存真、去粗取精”的能力奠定了基礎。