淺議高中物理模型方法

摘要：做任何事情，都要講究方法。采用好的方法，可以事半功倍，而方法不當(dāng)，往往就會(huì)事倍功半。中學(xué)生學(xué)習(xí)物理的基本方法有多種，如觀察法、實(shí)驗(yàn)法、模型法、等效法、類比法和數(shù)學(xué)法等。本文側(cè)重簡(jiǎn)介模型方法、探析學(xué)生掌握這種方法的心理優(yōu)勢(shì)與障礙，論述教師如何點(diǎn)撥學(xué)生掌握這種方法。

關(guān)鍵詞：方法簡(jiǎn)介；分析；方法

一、 物理模型方法簡(jiǎn)介

1. 物理模型與作用。物理模型含理想模型和“假設(shè)”模型。物理的模型排除了非本質(zhì)因素的干擾，舍棄了次要因素和無(wú)關(guān)因素，突出的反映出事物客觀的本質(zhì)特征，從而使物理現(xiàn)象或者物理過(guò)程得到簡(jiǎn)單化和理想化。

2. 物理模型的類型包括：①實(shí)體物理模型：a. 物質(zhì)模型，把客觀實(shí)體理想化，如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、點(diǎn)光源等。b. 系統(tǒng)模型，如“力學(xué)系統(tǒng)”“保守力系統(tǒng)”和“熱力學(xué)系統(tǒng)”等。c. 結(jié)構(gòu)模型，如盧瑟福原子模型、教具圖表、線路圖、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的模型。②狀態(tài)物理模型。運(yùn)動(dòng)學(xué)中的勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由位移、速度、時(shí)間三個(gè)量描寫；理想氣體狀態(tài)由壓強(qiáng)、體積、溫度三個(gè)參量描寫；電路狀態(tài)則是用電流、電壓、電阻三個(gè)量表征等等，我們可以確定一組參量來(lái)描寫所研究模型的狀態(tài)。在中學(xué)物理中廣泛使用圖線和圖像，就是狀態(tài)物理模型的一種直觀描述。③過(guò)程物理模型。如熱學(xué)中的等溫、等壓、等容、絕熱過(guò)程。力學(xué)所說(shuō)的過(guò)程即可以稱為運(yùn)動(dòng)，如勻變速直線運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)等等。描寫物理現(xiàn)象變化的過(guò)程數(shù)學(xué)解析式是過(guò)程方程，如氣體狀態(tài)方程、牛頓運(yùn)動(dòng)定律和描寫勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)學(xué)三個(gè)公式等，過(guò)程物理模型也可用圖形直觀地表示出來(lái)。

二、 學(xué)生掌握物理模型方法的心理優(yōu)勢(shì)與障礙分析

1. 數(shù)學(xué)模型方法對(duì)學(xué)生掌握物理模型方法的影響。物理模型方法和數(shù)學(xué)模型方法有密切的聯(lián)系。例如數(shù)學(xué)上有幾何點(diǎn)模型，物理上有點(diǎn)電荷、點(diǎn)光源、質(zhì)點(diǎn)等模型。物理模型與數(shù)學(xué)模型之間又存在著本質(zhì)的區(qū)別。如，數(shù)學(xué)上的幾何點(diǎn)僅是一種空間形式，是絕對(duì)的；而點(diǎn)電荷是攜帶電荷的空間形式，它的成立與否是相對(duì)的。又如數(shù)學(xué)上的無(wú)限概念都是描寫抽象的數(shù)形，而物理上的無(wú)限概念卻是描寫具體物理量。又如數(shù)學(xué)上的無(wú)限可分是指可以連續(xù)均勻可分的，而物理上的可分性是有層次的。因此，在學(xué)生掌握物理模型方法時(shí)，要充分利用數(shù)學(xué)模型對(duì)物理模型正遷移的心理作用，注意克服負(fù)遷移影響，注意物理模型與數(shù)學(xué)模型的區(qū)別和聯(lián)系，以及它們之間的轉(zhuǎn)換。

2. 化學(xué)模型對(duì)物理模型的互補(bǔ)作用?；瘜W(xué)和物理都講原子核式結(jié)構(gòu)模型，化學(xué)上作為重點(diǎn)又講了核外電子的統(tǒng)計(jì)分布情況——電子云。物理中重點(diǎn)是講核內(nèi)，如原子核的組成、核反應(yīng)等，在學(xué)習(xí)物理模型時(shí)，要結(jié)合化學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型等，搞清楚它們之間的區(qū)別與聯(lián)系，充分利用它們之間的互補(bǔ)作用。

3. 學(xué)生在運(yùn)用物理模型方法中常見的錯(cuò)誤分析。①選定研究對(duì)象對(duì)應(yīng)的實(shí)體物理模型中常出現(xiàn)的錯(cuò)誤。圖1中的木球可當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)，圖2中的木球只能當(dāng)作剛體模型來(lái)處理。在中學(xué)物理的力學(xué)中，剛體模型、彈性體模型和范性體模型則是隱含在課本內(nèi)容之中的。圖3是在物體可作為質(zhì)點(diǎn)模型處理時(shí)的受力圖，圖4是根據(jù)剛體平衡（合力為零，且對(duì)任一點(diǎn)合力矩為零）作出的。②確定研究對(duì)象所處的狀態(tài)物理模型上的錯(cuò)誤。例如理想氣體狀態(tài)方程的推導(dǎo)，學(xué)生盡管學(xué)完了等壓、等容、等溫三個(gè)過(guò)程的規(guī)律，但在處理這個(gè)問(wèn)

題時(shí)，往往不知如何下手，實(shí)際上初、末狀態(tài)都是平衡狀態(tài)，在這兩個(gè)平衡狀態(tài)中三個(gè)參量的關(guān)系跟中間過(guò)程無(wú)關(guān)，可在已知的等壓、等容、等溫三個(gè)過(guò)程規(guī)律中任選兩個(gè)，推出理想氣體狀態(tài)方程。③選擇研究對(duì)象所處狀態(tài)的變化過(guò)程的物理模型（過(guò)程物理模型）出現(xiàn)錯(cuò)誤。如圖5，一個(gè)半徑很大的半圓形光滑軌道，半徑為R，現(xiàn)讓兩個(gè)小球同時(shí)分別從圓心點(diǎn)O自由下落和軌道上的某點(diǎn)B（B點(diǎn)離軌道最低點(diǎn)很近）釋放，問(wèn)兩個(gè)小球誰(shuí)先到達(dá)軌道最低點(diǎn)。此題研究對(duì)象的實(shí)體物理模型都可看作質(zhì)點(diǎn)；其狀態(tài)物理模型也能確定，開始都是靜止，最后都到達(dá)軌道最低點(diǎn)，但其過(guò)程是一個(gè)什么模型，卻并不那么容易確定。B點(diǎn)小球的運(yùn)動(dòng)，正是單擺簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的一種變式，如果學(xué)生適應(yīng)不了這種變式，就出現(xiàn)了運(yùn)用單擺這一模型的障礙，t1=T/4=π/2·（R/g）12=1.57（R/g）12，而O點(diǎn)自由下落的時(shí)間t2=2R/g12=1.414（R/g）12

4. 思維的靈活性對(duì)學(xué)生掌握物理模型方法的影響。同一客體，研究問(wèn)題性質(zhì)不同，其建立的物理模型不同，這就需要學(xué)生打破僵化的思維模式，對(duì)具體問(wèn)題具體分析。

三、 如何指導(dǎo)學(xué)生掌握物理模型方法

1. 指導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)物理模型的近似性和局限性。

2. 指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)教材中已明確提出或隱含的物理模型。明確提出“模型”二字的，如質(zhì)點(diǎn)。沒(méi)有明確提出“模型”二字的，但卻有內(nèi)在的模型，如光滑面，彈性體、范性體、電介質(zhì)等。理想氣體的等壓、等容、等溫等過(guò)程，勻速直線運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、勻變速直線運(yùn)動(dòng)都是理想化的物理模型。

當(dāng)然，也并不是所有的物理概念、規(guī)律都有物理模型。也有些問(wèn)題目前還無(wú)法建立確切的物理模型，如光的波粒二象性。但是，在教學(xué)中如能有效地利用物理模型，可使抽象的物理概念和規(guī)律具體化、形象化、直觀可感，極大地提高教學(xué)效果。

作者簡(jiǎn)介：

李厚炎，福建省三明市，福建寧化一中。