高中物理模型的分類及建模重要性

鮑龍

物理現(xiàn)象錯綜復(fù)雜，高中物理所涉及的知識體系也非常龐大.因此，在解決物理問題時，教師要引導(dǎo)學(xué)生建立模型，化繁為簡.這是解決物理問題的關(guān)鍵性步驟.

一、高中物理模型的分類

在培養(yǎng)學(xué)生的物理思維方法時，教師一般要明確以下問題：將要研究什么對象；所研究的對象處于什么狀態(tài)；對應(yīng)的對象和狀態(tài)有著怎樣的變化過程.因此，物理模型一般分為實體物理模型、狀態(tài)物理模型、過程物理模型.這些物理模型的建立過程，可以描述為如下幾種.

1.研究對象的模型化.由于研究的需要，我們經(jīng)常將某些研究實體進(jìn)行抽象處理，如果將其大小、形狀等特征忽略掉，而是突出其質(zhì)量以及所在位置，就可以用一個有質(zhì)量的點來代替它，即“質(zhì)點”.這個過程就是研究對象的模型化.高中學(xué)生遇到類似方法得到的物理模型還有剛體、彈簧振子、單擺、理想氣體、點電荷、點光源等.

2.對象所處情境的模型化.真實場景的物理問題之所以難以分析，其原因就在于影響因素較多.在實際操作中，我們可以根據(jù)需要忽略某些次要因素，或是通過操作減小或抵消某些因素的影響.比如，研究帶電粒子在電場中的運動，由于重力的影響非常微弱，因此我們可以將其忽略掉，從而簡化問題情境.此外，熱學(xué)研究中的絕熱容器、力學(xué)研究中的光滑平面、電磁學(xué)研究中的勻強磁場和勻強電場都屬于此類模型化的情境.

3.研究過程和狀態(tài)的模型化.實體運動過程或狀態(tài)的變化往往是錯綜復(fù)雜的，為了研究的方便，進(jìn)行理想化的抽象處理是必須的.正是通過上述方法，才有了力學(xué)中的勻變速直線運動、彈性碰撞、簡諧運動；電磁學(xué)中的恒定電流、靜電平衡；熱學(xué)中的等容變化和等壓變化；等等.這些內(nèi)容都屬于過程或狀態(tài)的模型化.

二、物理模型的重要性

物理研究的主要目的是，探索自然界中一切物體的運動形態(tài)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)以及相互作用，幫助人們認(rèn)知自然界的基本規(guī)律，為人們適應(yīng)自然、改造自然奠定理論基礎(chǔ).要實現(xiàn)上述目的，就必須揭示物理現(xiàn)象或物理過程在對應(yīng)條件下發(fā)生、發(fā)展的一般規(guī)律，也要揭示事物之間本質(zhì)屬性的聯(lián)系，還要在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)建構(gòu)嚴(yán)密而自洽的物理理論.事實上，由于自然界的多面性和復(fù)雜性，完全從事物本來面目開展研究，只能導(dǎo)致問題的復(fù)雜化，增加總結(jié)物理規(guī)律、探究事物本質(zhì)的難度.這就要求我們在處理實際問題時適當(dāng)進(jìn)行抽象處理，進(jìn)而建立能反映認(rèn)知客體本質(zhì)特征的物理模型.

1.構(gòu)建模型是物理理論建立和發(fā)展的基礎(chǔ).研究物理學(xué)史發(fā)現(xiàn)，很多重大突破與模型建立密切相關(guān).這都是源于科學(xué)家大膽進(jìn)行猜想與構(gòu)思，構(gòu)建出理想化、但又與事實基礎(chǔ)有較高吻合度的物理模型，并最終通過實驗驗證或是實踐檢驗，從而發(fā)現(xiàn)通往真理的道路.比如，法拉第創(chuàng)造性地提出電場線和磁力線等一系列力線模型，并通過鐵屑呈現(xiàn)磁體附近磁感線的分布特征，由此建立“場”的有關(guān)概念；在解釋光電效應(yīng)的實驗規(guī)律時，愛因斯坦充分借鑒普朗克的量子假說，大膽地提出“光子”的模型，并在此基礎(chǔ)上提出光電效應(yīng)方程，不僅解釋了實驗現(xiàn)象，也揭示了光的“波粒二象性”這一本質(zhì)屬性……構(gòu)建物理模型，能有效簡化物理情境，從而促成現(xiàn)象的解釋和規(guī)律的總結(jié).此外，科學(xué)家通過對模型的深層次研究，做出科學(xué)性的預(yù)言，也進(jìn)一步推動了物理學(xué)科的發(fā)展.比如，盧瑟福結(jié)合原子的核式結(jié)構(gòu)模型提出中子的假說；泊松在光的波動模型基礎(chǔ)上提出“泊松亮斑”；等等.

2.從高中物理的學(xué)習(xí)特點來理解模型構(gòu)建的重要性.在物理學(xué)習(xí)的一開始，教師一般都會引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合真實的物理情境進(jìn)行分析，并從中進(jìn)行重要因素的提取，進(jìn)而建立物理模型，并在此基礎(chǔ)上探索其內(nèi)在規(guī)律.可以說，學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容本身就是理想化的模型.比如，力學(xué)中輕繩、輕桿、質(zhì)點等模型；熱學(xué)中的分子、理想氣體等模型；光學(xué)中的點光源、光子等模型；電磁學(xué)中的點電荷、理想電表等模型.學(xué)生所接觸的物理過程也是理想化和模型化的.比如，動力學(xué)中的勻速直線運動、勻速圓周運動、碰撞過程等；熱學(xué)中的等溫變化、等壓変化等；原子物理中的原子躍遷、原子核衰變等.學(xué)生也是結(jié)合理想化的物理過程來研究對應(yīng)的規(guī)律.比如，力學(xué)中結(jié)合勻變速直線運動探索對應(yīng)的運動學(xué)公式、在勻速圓周運動中探索向心力和向心加速度的概念、在碰撞過程中探索動量守恒定律；熱學(xué)中理想氣體的狀態(tài)方程；電學(xué)中圍繞點電荷建立庫侖定律、圍繞勻強磁場探索安培力的特點；等等.

總之，在高中物理教學(xué)中，教師要通過模型幫助學(xué)生理解物理規(guī)律和概念，并引導(dǎo)學(xué)生在解決問題的過程中建立相應(yīng)的模型，從而簡化問題，獲取解決問題的思路.