物理模型思想在教學中的應用

王付萍

物理學是一門研究物質最普遍、最基本的運動形式的自然科學。物理學為自然界的物質結構的相互作用和運動規律提供一幅幅絢麗多彩、結構嚴謹的圖畫。而所有的自然現象都不是孤立的，這種事物之間復雜的相互聯系，一方面反映了必然聯系的規律性，同時又存在著許多偶然性，使我們的研究產生了復雜性。為了形象、簡捷的處理物理問題，人們常把復雜的實際情況轉化成一定的、容易接受的、簡單的物理情境，從而形成一定的經驗性的規律，即建立物理模型。物理模型是在抓住主要因素、忽略次要因素的基礎上建立起來的，它能具體、形象、生動、深刻地反映事物的本質和主流。

一、認識物理模型

模型一詞，在西文中源于拉丁文的nlodulus，意思是尺度、樣本、標準。錢學森給模型下了這樣的定義：“模型就是通過對問題現象的分解，利用我們考慮得來的原理吸收一切主要的因素，略去一切不主要的因素，所創造出來的一幅圖畫……”。物理模型就是在一定的場合和條件下，考慮對實際物理現象來說是主要的、本質的特征，忽略次要的、非本質的因素，這種處理問題的方法，叫做物理抽象。被抽象出來的物理現象雖不再是原來的實際的物理現象，但它能反映出原來實際現象發展變化的基本規律，稱為原來實際物理現象的物理模型。

例如，正在平直公路上行駛的汽車，車身在平動；車輪在轉動；還有組成發動機的一些看不見的運動：發動機的內燃機中的熱運動和電磁運動以及構成汽車材料的分子和原子的運動等等。我們如何描述汽車的運動?在汽車一系列復雜的運動中，我們要研究的是汽車運動的快慢，那么只需考慮車身的平動，忽略其他運動形式，于是汽車的實際運動被想像的簡化為一個有質量的點在一條直線上的運動。

一個物體在地面附近由靜止下落的運動，是物理學中的一種非常簡單的運動。但對于這樣簡單的運動，如果不建立質點模型，也會變得無從下手。因為物體下落時，影響運動的因素很多。首先是重力，根據萬有引力定律可知，它將隨著物體的下落而改變；其次是物體受到空氣的阻力，它與物體的形狀、大小和下落的速度有關，同時還與風速、風向、物體下落中的轉動有關。如果我們要綜合考慮這些因素，找出物體下落的規律，就十分困難。這時，我們可從分析著手，物體從靜止開始下落的根本原因是受重力的作用，重力在物體下落中變化極小，可處理成不變；當物體下落過程中速度不大時，阻力較小，也可忽略，同時，也可不計地球的自轉、風速以及物體的轉動等因素的影響，這樣就可將物體抽象成一個質點，將運動過程抽象成只受重力作用下的一種運動，稱之為自由落體運動，我們就能方便的研究出物體下落的規律。

觀察實驗表明：兩靜止帶電體間的靜電力關系與電量和相對位置有關，還與帶電體的大小、形狀、電荷的分布情況以及周圍的介質等因素有關，要用實驗直接確立所有這些因素對靜電力的影響是非常困難的。但是，在帶電體線度比它們間的距離小得多的情況下，那么，靜電力就基本上只取決于它們的電量及其之間的距離，這時，我們就可忽略帶電體的大小、形狀、電荷分布等次要因素，將帶電體視為只帶有電量的一個幾何點——點電荷。這一對實際研究對象的抽象，恰是建立庫侖定律的基礎，也是電磁理論得以建立的基礎。

在研究物體的機械運動時，實際上的運動往往非常復雜，不可能有單純的直線運動、勻速運動、圓周運動。為了使研究變為可能和簡化，我們常采取先忽略某些次要因素，把問題理想化的方法，如引入勻速直線運動、勻變速直線運動、勻速圓周運動和簡諧運動等理想化的運動。這就是先建立物理模型，然后在一定條件下，用于處理某些實際問題。

從這些例子的分析中可以看出，物理模型是一個理想化的形態，它最明顯的特點就是摒棄了原型中影響問題的各種次要因素，抓住了主要因素，對研究對象做了極度的簡化和純化的處理，從而使我們得以通過研究模型來認識原型中各種本質的特征及其必然聯系，建立物理概念，得出物理規律，形成物理理論。可以說，物理模型是物理規律和物理理論賴以建立的基礎，各種物理模型的出現正是物理學向深度和廣度發展的重要標志。

二、物理模型思想在教學中的應用

理想的物理模型，即是物理科學體系中光輝的典范，也是解決現實物理問題不可或缺的依據，其重要性不言而喻。所以，教師在傳授知識的過程中，要根據實際課時的內容安排，及時向學生強調基本物理模型建立的過程和條件，并要求學生牢固把握這些基本的物理模型，并且在具體應用解決物理問題時，引導學生如何根據題設條件，從物理規律出發，通過分析、綜合、類比等，突出對所要研究問題起主要作用的因素，略去非本質的次要因素，使思維從紛繁復雜的具體問題中抽象、構造出我們熟悉的簡單的物理模型，然后應用掌握的相關知識予以解決。當然，對學生這種能力的要求并非一朝一夕就能培養出來的，需要教師把這種建模意識貫穿在教學的始終。要循序漸進地啟發引導學生，使學生逐步熟悉并掌握這種科學研究的思維方法。養成良好的思維品質，使構建物理模型的意識真正成為學生思考問題的方法與習慣。

我們中學已學過的物理模型主要有：

(1)理想對象模型(如質點、理想氣體、點電荷、單擺、理想變壓器、純電阻、點光源等)。

(2)理想條件模型(如光滑平面、輕桿、輕繩、均勻分布、勻強電場、緩慢等)。

(3)理想過程模型(如勻速直線運動、勻變速直線運動、勻速圓周運動、簡諧振動、等溫過程、彈性碰撞等)。

(4)對象理論模型(如理想氣體的分子模型、經典金屬導電模型、哥白尼關于天體運行的太陽系模型、湯姆生的“葡萄干布丁”與盧瑟福的“核式結構”的原子模型、光的波粒二象性模型、波爾與夫金克夫等關于原子核的液滴模型等)。

三、學生建模過程中的主要思維障礙

通過對學生的調查、分析、研究，學生在建模中主要存在以下思維障礙：

1缺乏模型意識，對概念和規律掌握不深刻。表現為概念和規律的模型意識不強和相關模型知識準備不足，在概念、規律的學習中，對模型的形象不清晰。

例如，在機械能守恒定律的應用中，往往認為外力和為零機械能守恒，而忽略機械能守恒定律的真正條件應為除重力和彈力以外其他外力做功代數和為零。

再如：公式W=UIt和Q=I²Rt在任何時候都把它們等同應用。

2不清楚建立物理模型的方法和要求。對物理模型方法知之甚少，以質點為例：大部分同學知道質點是物理模型，但只有部分同學知道為什么要建立，是如何建立的。這也可以從質點的應用過程中反映出來。例如：在汽車、火車的轉彎中，不能把汽車、火車作為質點而把問題復雜化。

3思維定勢的影響。不會應用模型方法解決實際問題，表現為經驗模型思維定勢的束縛，造成了思維

方向的偏離，使思維展開受到干擾。

例如。汽車在平直的公路上以20 m/s的速度前進。關閉油門后做勻減速直線運動，加速度是4 m／s²，問汽車在關閉油門8s內前進的位移是多少?實際上汽車運動了5 s后就停止了，后3 s處于靜止狀態，大部分學生沒有對過程進行分析就已經把整個過程當作了勻減速直線運動進行處理，這就是思維定勢產生的消極影響。

4沒有掌握相應的建模方法和技能。

例如。在變壓電場中有電子通過。因為通過時間遠小于電壓變化的時間，所以最后可以看成是穩壓電場，電子所受重力遠小于電場力，所以可以建立類平拋運動的模型。很多同學對此類題無從下手就是因為不會用近似的方法進行建模。

例1正在平直公路上行使的汽車突然發現前面出現了一堵墻，為了盡可能避免碰到墻壁，汽車急剎車好，還是馬上轉彎好?為什么?

例2估算大氣層空氣的總質量。

這兩個題目都與生活聯系比較緊密，它需要學生自己確定研究對象，設置已知量與未知量，運用物理規律，選擇研究方法。學生普遍反映不知從何著手。不知道往什么方向想問題，不知如何應用物理概念和規律。他們習慣于做有數字運算的題，對這類題目，老師沒講過，當然不會做。思維呈現出自我封閉狀態。

正因為如此，學生普遍感覺高中物理難學，這主要是因為學生習慣于初中物理的形象思維方式，只要記概念、規律的靜態結論，而不重視得出結論的發展過程；只會依蘆葫畫瓢，模仿性地解決一些簡單的物理問題。而不善于通過觀察分析。提煉出現實情景的物理模型。筆者認為，高中物理一定要重視建模意識的培養。從而達到培養靈活性、發散性、創造性思維的能力。

模型化階段是物理問題解決過程中最重要的一步，模型化正確與否或合理與否。直接關系到物理問題解決的質量。培養模型化能力。即使在問題解決過程中依據物理情景的描述。正確選擇研究對象。抽象研究對象的物理結構。抽象研究對象的過程模式。因此教師的實際的教學實踐過程中應注重培養學生運用物理模型解決物理問題的思維和能力

運用物理模型解題的基本程序有：

(1)通過審題。攝取題目信息。如：物理現象、物理事實、物理情景、物理狀態、物理過程等。

(2)弄清題給信息的睹多因素中什么是主要因素。

(3)尋找與已有信息(熟悉的知識、方法、模型)的相似、相近或聯系，通過類比聯想或抽象概括或邏輯推理或原型啟發，建立起新的物理模型。將新情景問題轉化為常規問題。

(4)選擇相關的物理規律求解。

基于物理模型化在教學中的重要作用。教師對物理模型化教學的研究焦點不能只局限于模型在解題中的應用，而忽視了模型本身在認知方而和提高學生的能力方面的重要作用。研究如何建立物理模型的同時。更應注重如何系統地進行物理模型教學，以更好的提高教學效果。