談物理模型的構建方法

〔關鍵詞〕 物理建模；過程；方法

〔中圖分類號〕 G633.7〔文獻標識碼〕 C

〔文章編號〕 1004—0463（2007）12（B）—0052—01

構建原則是抓主略次，例如:對“驗證動量守恒定律”的實驗研究，我們緊緊抓住了碰撞時系統相互作用的內力很大、機械能損失很少這一主要因素，忽略了機械能損失、碰撞時兩球之間的萬有引力和兩球與空氣的摩擦力以及裝置對系統帶來的影響等這些次要因素，從而把這種碰撞抽象成為“彈性碰撞”；去繁從簡，開普勒對天體運動的研究發現了三大定律，取得了卓越的成就，而我們引導學生去學習天體運動時的“勻速圓周運動的模型”就是最簡化的結果。地球上的人造地球衛星，其實際受力情況是非常復雜的；隨需要而定，一個研究對象或物理過程被抽象為何種理想模型不是固定不變的，而是根據研究問題的需要和要求而定。

構建過程:選擇對象——選模；理清過程——組模；形成模型——定模；注意問題——查模。如水平地面放一個質量為M 的木塊，木塊與地面間的動摩擦因數為μ，現有一顆質量為m的子彈，以v₀的速度水平方向擊中木塊，并以v_t的速度穿出。求木塊在地面上滑行的距離。

選模：本題是子彈與木塊打擊后木塊在水平面上滑行，故總的模型應定為動量和運動學類問題，屬過程類的模型；組模：分為二個過程，一個子彈打擊木塊的過程（也是木塊加速的過程），二是子彈離開木塊后木塊的減速過程。第一過程作用時間很短，子彈和木塊之間的內部作用力很大，木塊加速滑行的距離較短。但這個過程，子彈和木塊整體受到地面的滑動摩擦力作用，能不能適用動量守恒定律呢？滑行距離雖短，這個距離不容易求，能不能忽略不計呢？我們不妨設一組接近符合實際數據進行比較。M=2kg，m=0.01kg，v₀=600m/s，v₁=200m/s，μ=0.2，木塊長度d=0.1m。通過計算得F=m(v₀-v₁) /△t≈10⁴N ，摩擦力f=μ(M+m)g≈4N 。考慮到外力與內力相差四個數量級，所以該過程可以適用動量守恒定律。對第一、第二過程的位移，第一過程的位移是否可以忽略呢？進一步計算木塊滑行的s′=v△t /2≈2.5×10^-4m，減速滑行的距離s″=v²/μg≈1m。s′與s″相差四個數量級，它們相加求s時可以忽略s′。建立的理想模型為子彈穿越木塊的過程可以忽略地面摩擦力的影響，處理成一個非完全彈性碰撞的過程模型，木塊的滑動過程可以近似為一個從子彈穿出木塊后開始的勻減速運動模型。查模：建立的理想模型回到實際中去，符合實際問題的需要，偏差較小，與實際問題的關系、功能接近一致，仍能保持原有問題的結構。

構建物理模型，必定要采用一個方式、方法。采用了恰當的方式、方法，將收到事半功倍的效果。抽象化，抽象是指從具體事物中抽取某個或某些狀態、屬性等，它是物理模型構建的主要方法之一。類比法，在物理學的研究中，發現許多物理現象之間存在著許多相同或相似的物理屬性，從而建立起相應的物理模型。理想化方法，理想化方法是構建物理模型最主要的一種方法，他是將欲研究的物理現象加以簡化，抓住主要因素，忽略次要因素，即將其理想化，找出他們在理想狀況下所遵循的基本規律，并構建出相應的物理模型。構造法，構造就是理想。當所研究的物理現象不能直接感知，或現有的物質、實驗條件還不能進行現實模擬時人們可以根據已知的物理原理、物理規律等對所研究物理現象提出一種假定性的推測和說明，從而建立起相應的物理模型。如光的輻射現象說明了光的波動性，而光電效應現象又說明了光的粒子性，為了解決這兩類實驗事實的矛盾，愛因斯坦提出光同時具有波動性和粒子性，從而建立起了光的波粒二象性模型。另外還有等效代換法，唯象法、微元法與選代法、量綱法等。

總之，物理模型可作為物理基本知識單元，是掌握物理知識的基礎，也是組成綜合問題的基礎。教學中物理模型的構建實質上就是培養物理的創造性思維，利用“物理模型”建立的思維方式，引導學生去領悟和品味思維過程；利用“物理模型”進行知識遷移和創新學習。