物理模型建構的誤區(qū)

摘? ?要：物理模型是從紛繁復雜的客觀事物中抽象出來的，反映物質原理及本質特征的理想物質或過程，是理想化方法的基本類型，在物理學研究中被廣泛應用。文章通過具體實例的分析，列舉了幾種常見的模型建構的誤區(qū)，提出了模型建構必須關注的條件性、相對性和實際性等幾個要素，加深對模型建構方法的認識，給出相應的教學思考。

關鍵詞：模型建構;物理教學;科學思維;核心素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）7-0061-4

1? ? 模型思維是重要的科學思維

科學思維是高中物理四大核心素養(yǎng)之一，主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新等要素。模型思維是一種重要的科學思維，創(chuàng)設基于建模的科學學習環(huán)境，有利于學生建模思維的發(fā)展。

《普通高中物理課程標準（2017年版）》的物理學科核心素養(yǎng)的水平劃分中，將科學思維中的模型建構分為五級水平，分別是：

水平一，能說出一些簡單的物理模型;

水平二，能在熟悉的問題情境中應用常見的物理模型;

水平三，能在熟悉的問題情境中根據(jù)需要選用恰當?shù)哪Ｐ徒鉀Q簡單的物理問題;

水平四，能將實際問題中的對象和過程轉換成所學的物理模型;

水平五，能將較復雜的實際問題中的對象和過程轉換成物理模型。

從教學反饋來看[1]，大部分學生停留在水平一和水平二，即簡單地模仿和套用舊有的模型，在水平三所要求的“選用恰當?shù)哪Ｐ汀狈矫?，水平四所要求的“轉換成物理模型”方面，普遍存在較大困難，對于為何如此建構模型說不出個所以然來，這也直接制約了學生運用物理模型處理實際問題的素養(yǎng)水平。如何在模型建構的教學中立足實際問題進行分析示范，從本質上系統(tǒng)地滲透科學思維方法，讓學生了解物理模型建構的本質及關鍵要素，更為自覺、正確地運用和理解物理模型，提升科學思維素養(yǎng)，是我們需要重點關注的問題。

下面通過物理模型建構中幾例常見的誤區(qū)進行分析，介紹建構、應用物理模型時需要重點關注的幾個關鍵要素，并給出相應的教學思考[2]。

2? ? 模型建構誤區(qū)分析

誤區(qū)1：忽視模型建構的前提條件

物理理想模型是在一定條件下，經過科學抽象，針對某一特定前提而建構的。同一物質客體，在不同研究目的、不同研究重點下就有不同的抽象條件，所建構的物理模型也不盡相同。建構過程中若忽視所用模型的前提條件，容易產生錯誤的結論[3]。

例1? 這是永動機嗎？

如圖1所示，半徑為R的環(huán)形塑料管豎直放置，AB為該環(huán)的水平直徑，且管的內徑遠小于環(huán)的半徑，環(huán)的A、B及其以下部分處于水平向左的勻強電場中，管的內壁光滑?，F(xiàn)將一質量為m，帶電荷量為+q的小球從管中A點由靜止釋放，已知qE=mg，以下說法正確的是（? ? ? ）

A.小球釋放后，到達B點時速度為零，并在BDA間往復運動

B.小球釋放后，到達最低點D時速度最大

C.小球釋放后，第一次和第二次經過最高點C時對管壁的壓力之比為1：1，且方向相同

D.小球釋放后，第一次經過最低點D和最高點C時對管壁的壓力之比為5：1

按本題所設置的情境，我們重點分析小球到C點的速度情況。當帶電小球第一次到達C點，由動能定理可知：-mgR+Eq·2R=mv，且qE=mg，即vC1=，同理，帶電小球第二次到達C點時，vC2=，……，循環(huán)往復，電場不斷對小球做功，小球速度不斷增加。有學生就提出疑問，這不就是永動機嗎？

例1的問題按照原來的分析方法出現(xiàn)了永動機的現(xiàn)象，其錯誤的根源在于該題建構了一個邊界明顯的孤立勻強電場。我們知道，當帶電粒子在平行板電容器兩板之間區(qū)域運動時，電場主要集中在兩板之間，在帶電粒子沒有進出電場的前提下，我們可以忽略邊緣效應，將兩極間的電場建構成勻強電場。但當帶電粒子沒有進出電場這個前提條件不存在時，外電場的作用便不可忽略（如圖2所示），這個時候也就不能再建構成邊界明顯的孤立勻強電場了。此時，若仍要研究粒子進出的問題，則應考慮帶電粒子在邊緣外的區(qū)域運動時，受到的外電場的作用。根據(jù)電場的性質，在任何靜電場中，環(huán)路積分為零，總電勢差為零，電場力的總功為零，即當電場又通過場外區(qū)域回到原來的A點時，在不均勻的外場區(qū)電場力是做負功的，最終并沒有給電荷任何電勢能的補充。原題的設計忽視了“勻強電場”這一理想模型的前提條件，產生了科學性錯誤。

誤區(qū)2：混淆主次因素

物理模型建構的過程中，應根據(jù)研究的目的和方法確定影響問題的主次因素，圍繞主要因素，摒棄次要因素，建構合適的模型。同一客觀主體，當觀察研究的角度變了，次要因素可能變得不可忽略，甚至變成主要因素，此時原物理模型就不再適用，再用原模型處理問題可能產生矛盾的認知。

例2 磁通量沒有變化也會產生感應電流嗎？

（2007高考理綜北京卷24）（節(jié)選） 用密度為d、電阻率為ρ、橫截面積為A的薄金屬條制成邊長為L的閉合正方形框abb′a′。如圖3和圖4所示，金屬方框水平放在磁極的狹縫間，方框平面與磁場方向平行。設勻強磁場僅存在于相對磁極之間，其他地方的磁場忽略不計。可認為方框的aa′邊和bb′邊都處在磁極間，極間磁感應強度大小為B。方框從靜止開始釋放，其平面在下落過程中保持水平（不計空氣阻力）。

（1）方框下落的最大速度vm（設磁場區(qū)域在豎直方向足夠長）;

本題我們一般建構豎直下落的線框切割水平的勻強磁場這種過程模型，從切割運動產生感應電動勢的角度看，當方框下落速度為v時，產生的感應電動勢：E=2BLv，感應電流I==，再去得出其他的結論，顯然沒什么問題。但如果換個角度從磁通量變化產生感應電動勢方面考慮，將會產生這樣的疑問：線框下落到任何一個位置時，圖中所示的磁感線均與線框平面平行，那么下落過程中穿過線框的磁通量沒有變化（一直為零），根據(jù)電磁感應定律，怎么會產生感應電流呢？

在例2的問題中，當我們從切割角度研究感應電動勢時，影響感應電動勢的主要因素是與切割方向垂直的水平磁場，此時與切割方向平行的垂直磁場是次要因素，對切割也無效果，可以忽略。但當我們轉化研究角度，通過線圈的磁通量變化來研究感應電動勢時，垂直線框的磁場就變成是主要因素，反而平行線框的磁場分量不起作用，如圖5所示。由于磁感線是閉合的，越往螺線管中心磁感線（主要是縱向的）越密，所以下落過程磁通量不是不變，而是不斷變大，由此判斷出來的感應電流方向與切割方法判斷的一致。在這個問題中，因觀察角度不同，主次因素發(fā)生變化，對應建構的物理模型也隨之變化，若仍糾結于舊有的模型特征，就容易產生磁通量不變也能產生感應電流的疑惑。

誤區(qū)3：過分理想處理，脫離物理實際

物理模型是客觀事物經過理想化處理抽象出來的客觀事物的本質或相關特征，是解決實際問題的一種方式，利用物理模型得出的結論或規(guī)律也應符合物理生活實際，這就決定了模型建構應立足物理現(xiàn)實的實際情況，不可隨意理想化處理，脫離物理實際，失去物理建構模型的意義[4]。

例3 這是理想變壓器嗎？

（2011年浙江高考理綜第16題） 如圖6所示，在鐵芯上、下分別繞有匝數(shù)n1=800和n2=200的兩個線圈，上線圈兩端與u=51sin314t（V）的交流電源相連，將下線圈兩端接交流電壓表，則交流電壓表的讀數(shù)可能是（? ? ? ）

A. 2.0 V

B. 9.0 V

C. 12.7 V

D. 144.0 V

很多學生直接套用理想變壓器模型的規(guī)律得出如下錯解：交流電源電壓的有效值U1=，按照理想變壓器的規(guī)律來處理有：=、n=800、n2=200，解得U2≈9.0 V，故答案為B選項。

我們知道，理想變壓器的規(guī)律是在整個裝置無磁漏、無鐵損、無銅損的情況下推導得出的規(guī)律，在磁漏、鐵損、銅損不是很大的情況下，我們可以近似地利用這個模型規(guī)律分析解決物理問題。但現(xiàn)實中變壓器的磁漏、鐵損、銅損影響較大，必然無法達到理想的情況，所以交流電壓表的讀數(shù)必小于9.0 V，具體的數(shù)值由裝置的參數(shù)決定，故A選項才正確。在建構實際問題的物理模型時，需要我們立足實際情況，把握具體問題中模型建構的合理性，建構符合客觀實際的模型。

3? ? 對模型建構教學的思考

在解決物理實際問題時，常常從研究的目的出發(fā)，結合分析和研究問題的需要，對客觀實際進行科學的抽象化處理，抓住影響問題的主要因素，摒棄各種次要因素，得出一種能反映客觀實際本質特性的理想物質或過程，此種理想物質或過程稱之為物理模型或理想物理模型[5]。物理模型建構的過程既有客觀依據(jù)，又有主觀成分，需要綜合考慮條件性、相對性和實際性等關鍵要素，不能簡單模仿和套用。

上面通過三個模型建構中容易出現(xiàn)的誤區(qū)實例，分別強調了模型建構過程中需要特別關注的前提條件、主次因素及實際情況三個關鍵要素。做為一線的物理教師，對這幾個關鍵要素應引起足夠的重視。一方面了解物理模型建構的關鍵要素可以讓教師在命題過程中有意識地規(guī)避此類誤區(qū)，避免試題產生科學性錯誤，確保試題的嚴謹性。另一方面教師在物理模型的教學中，通過有意識地強化、突出這三個關鍵要素，循序漸進地對模型建構進行分析、拓展、比較，讓學生參與到實際問題的建構過程中來，帶領學生親身體驗思考與探索的過程，在矛盾沖突中加深學生對物理模型建構本質的理解。通過不斷地強化讓學生在具體問題的解決過程中，自覺地形成建構出恰當物理模型的習慣。即先對所研究問題的狀態(tài)和過程客觀分析后確定前提條件，再根據(jù)影響問題的主次因素確定大致模型，并立足物理實際分析調整，最終建構出恰當?shù)奈锢砟Ｐ汀Ｔ诓粩嘟嬤^程中切實培養(yǎng)學生的科學思維素養(yǎng)，提升學生利用模型解決實際問題的能力水平。

參考文獻：

[1]馮一兵. 淺談物理模型在教學中的優(yōu)點及局限性[J]. 物理與工程，2007（4）：59-61.

[2]韓靜波. 理想模型不宜運用的場景[J]. 物理通報，2011（10）：94-96.

[3]陳薇薇.物理理想模型的建立與中學物理教學的探究[J].福建基礎教育研究，2016（11）：59-62.

[4]沈吳勇.理想化模型與實際問題矛盾初探[J]. 湖州師范學院學報，2000（S1）：51-53.

[5]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

（欄目編輯? ? 羅琬華）

收稿日期：2020-03-06

作者簡介：陳文虎（1984-），男，中學一級教師，主要從事高中物理教學工作，曾獲廈門市首屆中小學教師技能大賽一等獎。