物理模型在教學(xué)中的應(yīng)用

物理學(xué)是研究物理現(xiàn)象及其變化規(guī)律的科學(xué)。一種重要的研究方法就是把研究對象抽象成某種理想化模型，然后研究理想模型的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，進(jìn)而培養(yǎng)創(chuàng)新能力和應(yīng)變能力。

一、模型的建立

研究任何物理現(xiàn)象，都要分清主要因素和次要因素，先舍棄那些表面的、次要的條件，把復(fù)雜的物理世界用簡單的、理想的物理模型來描述。例如：電學(xué)中研究帶電體之間的相互作用力，它與帶電體的電荷多少，帶電體的形狀大小，帶電體之間的相對位置及介質(zhì)等多種因素有關(guān)，情況是復(fù)雜的。若不分輕重地考慮各種因素，非但難以得出正確的結(jié)果，反而會(huì)使我們對復(fù)雜的物理現(xiàn)象的研究束手無策。就帶電體間的相互作用而言，實(shí)驗(yàn)表明：在真空中，隨著帶電體之間距離的增大，它們的形狀、大小的影響逐漸減小，當(dāng)遠(yuǎn)到一定程度時(shí)，起決定作用的就是帶電體的電荷量，其形狀、大小都是無關(guān)緊要的，可忽略不計(jì)，于是建立了“點(diǎn)電荷”模型，庫侖定律反映的就是兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的相互作用規(guī)律。而實(shí)際問題中的帶電體能否看作點(diǎn)電荷，需視具體情況而定。對一般的帶電體而言，可看作無數(shù)點(diǎn)電荷的集合體，借助疊加原理，根據(jù)庫侖定律原則上可求出任意帶電體之間的相互作用力。可見，沒有“點(diǎn)電荷”這個(gè)理想化的模型的建立，就難以計(jì)算出帶電體之間的相互作用力。所以，物理模型的建立是研究物理問題的重要手段。

二、 中學(xué)物理中的主要物理模型

理想化的物理模型是否反映客觀實(shí)際，還要經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，不能憑空想象。物理課本中保留下來的理想模型都是經(jīng)受了實(shí)踐的檢驗(yàn)，得到大家的公認(rèn)。中學(xué)物理中各個(gè)部分出現(xiàn)的物理模型主要包括：

力學(xué)中：質(zhì)點(diǎn)、彈簧振子、單擺等。

熱學(xué)中：理想氣體等。

電磁學(xué)中：點(diǎn)電荷、理想氣體、絕緣體、電場線、磁感線等。

光學(xué)中：點(diǎn)電源、狹縫、光線等。

原子物理中：光子等。

三、 中學(xué)物理模型的特點(diǎn)

（一） 對所要研究的對象模型化

對物理中的某些客觀實(shí)體的相互作用進(jìn)行抽象化、理想化。如研究天體間的相互作用時(shí)，由于天體間的距離較大，可以忽略天體本身的大小和形狀，突出它們所處的位置和質(zhì)量的特性，用一個(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)來替代天體，從而研究天體間的相互作用。

（二） 對研究對象所處的物理過程模型化

將物理問題中研究對象模型化，僅僅是解題的開始。物理問題常常要求我們找出物理對象運(yùn)動(dòng)過程所遵循的規(guī)律。我們所面臨的困難是如何將實(shí)際過程進(jìn)行近似處理，使之成為典型的理想化過程，以便應(yīng)用理想化過程所遵從的規(guī)律來解決實(shí)際的問題。

比如在熱學(xué)中，理想氣體的“等容”、“等溫”、“等壓”過程實(shí)質(zhì)都是理想化的物理過程模型。又比如，一根輕質(zhì)細(xì)繩一端固定在天花板上，繩子下端掛上小球A，在A球下方再通過一根輕質(zhì)彈簧掛上小球B，系統(tǒng)穩(wěn)定后燒斷細(xì)繩，在燒斷細(xì)繩后的瞬間，可近似認(rèn)為A、B間的彈簧幾乎來不及形變，彈簧對A、B兩球的彈力幾乎仍與細(xì)繩被燒斷前一樣。

（三） 對物體所處的環(huán)境條件模型化

比如一個(gè)鐵球在地球表面附近自由下落，可以忽略在地球表面附近在不同位置重力加速度的變化和空氣阻力對鐵球運(yùn)動(dòng)的影響。又比如，在研究封閉在一個(gè)導(dǎo)熱性能良好的氣缸內(nèi)的氣體在一段較短時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)變化時(shí)，可不考慮環(huán)境溫度的變化，近似地認(rèn)為氣缸內(nèi)的氣體溫度始終保持不變。這些都是將物體所處的物理環(huán)境進(jìn)行理想化處理。

四、物理模型在教學(xué)中的應(yīng)用

（一） 構(gòu)建過程模型，建立物理圖景，訓(xùn)練發(fā)散思維

物理過程的理想化模型有勻速直線運(yùn)動(dòng)，簡諧振動(dòng)，氣體的等溫、等容、等壓變化過程，勻速圓周運(yùn)動(dòng)等。物理學(xué)中，符合守恒條件的狀態(tài)變化，是與中間過程無關(guān)的。這使我們能夠想象不同的物理過程模型、不同的物理圖景，來完成狀態(tài)變化，以訓(xùn)練發(fā)散思維。

（二） 轉(zhuǎn)換物理模型，深入理解模型

理想化模型具有行之有效和應(yīng)用的廣泛性。通過對理想化模型的研究，可以完全避開各種因素的干擾，在思維中直接與研究對象的本質(zhì)接觸，能夠既快又準(zhǔn)確地了解事物的性質(zhì)和規(guī)律。

許多學(xué)生反映物理課聽起來有趣，做起練習(xí)來難。他們的困難，不在于記不住某個(gè)物理公式，而在于對一個(gè)新情景問題不知道該用什么公式，也就是不善于將一個(gè)具體問題轉(zhuǎn)換為某一物理模型。比如：在建立了“單擺”這一理想化模型后，直接用公式求解，學(xué)生是很容易做到的，但若換一新情景練習(xí)，如小球在半徑很大的光滑圓弧底部附近來回往復(fù)地運(yùn)動(dòng)，學(xué)生就很難將它納入對應(yīng)的模型。因此，在平時(shí)的教學(xué)中，要引導(dǎo)學(xué)生善于將具體的物理問題與已知的物理模型進(jìn)行對接。

（三）構(gòu)建理想化模型，促進(jìn)學(xué)生想象和邏輯推理能力的發(fā)揮

教學(xué)實(shí)踐證明，學(xué)生之所以理解不了某些物理知識，關(guān)鍵是想象不出相應(yīng)的物理現(xiàn)象所致，換句話說，就是不善于構(gòu)造理想化的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀W(xué)生疑惑時(shí)總是說“我想不出來”，其實(shí)是想象不出來。因此，在中學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)特別注重對學(xué)生構(gòu)造理想實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪芰τ?xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生想象力和邏輯推理能力。