高中學(xué)生物理建模能力培養(yǎng)的策略

劉躍磊

在中學(xué)物理教學(xué)過程中必須注意學(xué)生多方面能力的培養(yǎng)，而且加強(qiáng)學(xué)生能力的培養(yǎng)是物理教學(xué)的一項(xiàng)重要任務(wù)。在這里，本文先來淺談一下有關(guān)學(xué)生物理建模能力的培養(yǎng)。

那么如何來建立物理模型呢？主要是讓學(xué)生抓住事物的本質(zhì)解決問題，對(duì)復(fù)雜的事物簡化，進(jìn)行抽象后建立起理想模型。理想模型源于具體事物又高于具體事物，是感知和思維的產(chǎn)物，如質(zhì)點(diǎn)模型是高中物理提出的第一個(gè)理想模型，因此對(duì)質(zhì)點(diǎn)模型的建立既是一種典范，又具有普遍意義。質(zhì)點(diǎn)是力學(xué)中的一個(gè)基本概念，它是一種科學(xué)抽象，一種理想化的模型。當(dāng)我們?cè)诿枋鑫矬w的運(yùn)動(dòng)時(shí)，若物體的形狀、大小對(duì)運(yùn)動(dòng)的描述沒有影響或影響可以不考慮的情況下，我們就可以撇開物體的形狀、大小等起作用很小的次要因素，而把物體抽象成一個(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)，這樣質(zhì)點(diǎn)模型便建立起來了，用它來代表所研究的客體可以使復(fù)雜的問題簡單化。但是當(dāng)我們要研究的客體運(yùn)動(dòng)需涉及它自身的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)模型便不適用了，于是又抽象出剛體模型。真實(shí)的物體在受到力的作用時(shí)，多少會(huì)發(fā)生形狀的變化，當(dāng)這種形變可忽略不計(jì)時(shí)，便可以近似地看作是剛體，所以剛體也是一種簡化的理想模型。只要我們所研究的運(yùn)動(dòng)僅涉及平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，而不涉及到物體的形變時(shí)，剛體便是很有效的力學(xué)模型。另外，“點(diǎn)電荷”也是一種科學(xué)抽象，一種理想化的模型和研究問題的基本方法。例如在講解庫侖定律的公式時(shí)，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出這個(gè)公式只適用于兩個(gè)相對(duì)靜止的“點(diǎn)電荷”（所謂“點(diǎn)電荷”就是指這樣的帶電體：它們的大小比它們之間的距離小得多）。但也還應(yīng)該把可以用庫侖定律來求球形帶電體之間的相互作用力的問題作簡單的交代。有些學(xué)生由于對(duì)庫侖定律的適用條件沒有弄清楚，往往錯(cuò)誤地把只適用于點(diǎn)電荷的庫侖定律用以求任意兩個(gè)帶電體間的作用力。例如他們錯(cuò)誤地應(yīng)用庫侖定律來求帶電體在平行板電容器間的電場(chǎng)（勻強(qiáng)電場(chǎng)）中所受到的作用力，而造成原則性的錯(cuò)誤。微觀世界中的電子、質(zhì)子等基本粒子可以看作質(zhì)點(diǎn)，而且地球上的各種生物和其他物體，就是恒星、行星等各種天體也都可以看作質(zhì)點(diǎn)。在高中物理中需要的理想模型就有很多，比如彈簧振子，在研究振動(dòng)情況時(shí)，忽略了摩擦力和彈簧質(zhì)量;物理學(xué)中所研究的“理想的擺”（單擺）;忽略分子本身體積和分子間作用力的“理想氣體”等等。這種理想化的科學(xué)方法是物理學(xué)中經(jīng)常使用的方法，因此應(yīng)該讓學(xué)生認(rèn)真領(lǐng)會(huì)、逐步掌握，以便于為學(xué)生以后的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。除此之外，我們還要注意引導(dǎo)學(xué)生逐步建立“系統(tǒng)”的物理模型。通常我們把相互作用的物體的全體叫做系統(tǒng)。在物理學(xué)中，可以把遵循牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律、相互作用的全體物體叫做“力學(xué)系統(tǒng)”。在講解重力勢(shì)能時(shí)，我們應(yīng)該有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生建立力學(xué)系統(tǒng)的物理模型，也就是把地球和物體視為一個(gè)系統(tǒng)，它們因相互作用而聯(lián)系著，重力勢(shì)能是地球和物體所組成的這個(gè)物體系統(tǒng)所具有的，而不是地球上的物體單獨(dú)具有的。我們習(xí)慣上說地球上的物體具有多少重力勢(shì)能，這只能理解為一種簡略的說法。除了重力勢(shì)能，還有其他形式的勢(shì)能，例如彈性勢(shì)能、分子勢(shì)能、電勢(shì)能。為了加深理解，我們還可以有目的地編選有關(guān)的練習(xí)題來讓學(xué)生練習(xí)討論一下。在講解動(dòng)量守恒定律時(shí)，也要把相互作用的物體作為統(tǒng)一的研究對(duì)象，也就是說相互作用的物體，組成一個(gè)系統(tǒng)。系統(tǒng)里的每個(gè)物體，既可以受到系統(tǒng)內(nèi)其他物體的力，也可能受到系統(tǒng)外其他物體的力，前者叫做內(nèi)力。后者叫做外力。而動(dòng)量守恒定律的條件是：系統(tǒng)不受外力或所受外力的合力為零，則這個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)量就保持不變。這個(gè)定律并不限于兩個(gè)物體的相互作用，一個(gè)系統(tǒng)里可以包括任何數(shù)目的物體，只要整個(gè)系統(tǒng)受到的外力的合力為零，那么系統(tǒng)的動(dòng)量就守恒。

在學(xué)習(xí)的過程中，解決一個(gè)物理問題經(jīng)常是與物理模型、數(shù)學(xué)推算交織在一起。而有沒有一個(gè)正確的物理模型是關(guān)鍵，模型錯(cuò)了，就推算不出正確的結(jié)果。下面我們舉例說明一下建立正確物理模型的必要性。（題一）以速度40米，秒運(yùn)動(dòng)的汽車，關(guān)閉油門后作勻減速運(yùn)動(dòng)，加速度為一10米/秒2，求5秒鐘內(nèi)汽車前進(jìn)的路程。（題二）氣球下懸掛一物體。當(dāng)氣球以20米，秒的速度勻速上升到離地面160米時(shí)，懸線斷開。求①物體在第1秒末，②第2秒末，③第4秒末，④第6秒末，⑤第8秒末，⑥第10秒末的位置和速度。（為了計(jì)算方便，g取10米，秒：）學(xué)生對(duì)勻減速運(yùn)動(dòng)的物理過程在頭腦中要建立一幅清晰的正確的物理圖景是比較困難的，由于勻減速運(yùn)動(dòng)有兩種情況：一種情況是像“題一”中的汽車，在它關(guān)閉油門后由于受到地面阻力的作用，開始做勻減速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度逐漸減小到零時(shí)，汽車做勻減速運(yùn)動(dòng)的阻力已消失了，于是汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就由勻減速運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為平衡狀態(tài)而停下來了。另一種情況像“題二”中豎直上拋運(yùn)動(dòng);當(dāng)物體上升到“最大高度”的瞬時(shí)，雖然速度減到零，但使物體作勻減速的重力仍存在，因而此后物體即改變運(yùn)動(dòng)方向豎直向下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直到物體落到地面為止。為了糾正學(xué)生可能由于把上述兩種不同情況的勻減速運(yùn)動(dòng)混淆起來而產(chǎn)生的錯(cuò)誤，我們可以有計(jì)劃地用“題二”跟“題一”進(jìn)行對(duì)比。引導(dǎo)學(xué)生比較“題一”和“題二”所反映的物理現(xiàn)象和過程的異同點(diǎn)，對(duì)解題過程中幫助學(xué)生建立正確的物理圖景是很具有啟發(fā)和指導(dǎo)意義的。另外我們知道，實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，而有些理想物理模型的建立就是通過實(shí)驗(yàn)來完成的。通常的方法是先做有關(guān)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在腦海里留下一個(gè)直觀的具體形象的物理模型，在此基礎(chǔ)上作抽象引導(dǎo)，形成思維輪廓，變成具有思維特征的物理模型，然后再利用學(xué)生思維中已經(jīng)建立起來的物理模型，去解決一些實(shí)際問題。作為科學(xué)抽象的結(jié)果，理想模型也是一種科學(xué)概念，廣泛應(yīng)用在各門科學(xué)中。例如：數(shù)學(xué)上所研究的不占有任何空間的“點(diǎn)”、沒有粗細(xì)的“線”、沒有厚度的“面”。在化學(xué)和生物學(xué)中也有類似的理想模型。因此說物理模型的建立是非常重要的，因?yàn)槟撤N模型遵循一定的物理規(guī)律，同時(shí)物理模型和數(shù)學(xué)演算交織在一起，模型錯(cuò)了就會(huì)導(dǎo)致結(jié)論的錯(cuò)誤，可見幫助學(xué)生理解和建立物理模型，并且能夠運(yùn)用到解決實(shí)際問題中去是中學(xué)物理教學(xué)的重點(diǎn)，更是難點(diǎn)。

綜上所述，解題時(shí)如實(shí)反映物理過程，在頭腦中建立一幅清晰的、正確的物理圖景是很重要的。在此基礎(chǔ)上才談得上合理求解，才能有效地防止學(xué)生死記公式、亂套公式的現(xiàn)象。引入理想模型后，可以使問題的處理大為簡化，從而便于人們?nèi)フJ(rèn)識(shí)和掌握。從以上的淺談中我們可以認(rèn)識(shí)到：作為一名物理教師，在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的物理建模能力是十分必要的。因此在物理教學(xué)中我們要注意逐步培養(yǎng)學(xué)生建立合理的、正確的物理模型的能力。

（貴州省威寧縣第九中學(xué)）