物理模型在教學(xué)中的運(yùn)用

物理學(xué)是一門研究物質(zhì)最普遍、最基本的運(yùn)動(dòng)形式的自然科學(xué)。而所有的自然現(xiàn)象都不是孤立的。這種事物之間

復(fù)雜的相互聯(lián)系，一方面反映了必然聯(lián)系的規(guī)律性，同時(shí)又存在著許多偶然性，使我們的研究產(chǎn)生了復(fù)雜性。例如，在研究物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)際上的運(yùn)動(dòng)往往非常復(fù)雜，不可能有單純的直線運(yùn)動(dòng)、勻速運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)。為了使研究變?yōu)榭赡芎秃?jiǎn)化，我們常采取先忽略某些次要因素，把問(wèn)題理想化的方法，如引入勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻變速直線運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)和簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)等理想化的運(yùn)動(dòng)。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(shí)際問(wèn)題。物理模型是在抓住主要因素忽略次要因素的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，它能具體、形象、生動(dòng)、深刻地反映事物的本質(zhì)和主流。

一、物理模型在教學(xué)中的作用

建立和正確使用物理模型可以提高學(xué)生理解和接受新知識(shí)的能力。例如，我們?cè)谶\(yùn)動(dòng)學(xué)中建立了“質(zhì)點(diǎn)”模型，學(xué)生對(duì)這一模型有了充分的認(rèn)識(shí)和足夠的理解，為以后學(xué)習(xí)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)、萬(wàn)有引力定律、物體的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，以及電學(xué)中的“點(diǎn)電荷”模型、光學(xué)中的“點(diǎn)光源”模型等奠定了良好的基礎(chǔ)，使學(xué)生容易理解和接受這些新知識(shí)。

建立和正確使用物理模型有利于學(xué)生將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化、明了化，使抽象的物理問(wèn)題更直觀、具體、形象、鮮明，突出了事物間的主要矛盾。

建立和正確使用物理模型對(duì)學(xué)生的思維發(fā)展、解題能力的提高起著重要的作用。可以把復(fù)雜隱含的問(wèn)題化繁為簡(jiǎn)、化難為易，起到事半功倍的效果。

二、中學(xué)物理中常見(jiàn)的物理模型

物理模型是物理思想的產(chǎn)物，是科學(xué)地進(jìn)行物理思維并從事物理研究的一種方法。中學(xué)物理中常見(jiàn)的物理模型可歸納如下：

1. 物理對(duì)象模型化。物理中的某些客觀實(shí)體，如質(zhì)點(diǎn)，舍去物體的形狀、大小、轉(zhuǎn)動(dòng)等性能，突出它所處的位置和質(zhì)量的特性，用一有質(zhì)量的點(diǎn)來(lái)描繪，這是對(duì)實(shí)際物體的簡(jiǎn)化。當(dāng)物體本身的大小在所研究的問(wèn)題中可以忽略，也能當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)來(lái)處理。類似質(zhì)點(diǎn)的客觀實(shí)體還有剛體、點(diǎn)電荷、薄透鏡、彈簧振子、單擺、理想氣體、理想電流表、理想電壓表等等。

2. 物體所處的條件模型化。當(dāng)研究帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)，因粒子所受的重力遠(yuǎn)小于電場(chǎng)力，可以舍去重力的作用，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。力學(xué)中的光滑面，熱學(xué)中的絕熱容器、電學(xué)中的勻強(qiáng)電場(chǎng)、勻強(qiáng)磁場(chǎng)等等，都是把物體所處的條件理想化了。

3. 物理狀態(tài)和物理過(guò)程的模型化。例如，力學(xué)中的自由落體運(yùn)動(dòng)、勻速直線運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、彈性碰撞，電學(xué)中的穩(wěn)恒電流、等幅振蕩，熱學(xué)中的等溫變化、等容變化、等壓變化等等都是物理過(guò)程和物理狀態(tài)的模型化。

4. 理想化實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，根據(jù)邏輯推理法則，對(duì)過(guò)程進(jìn)一步分析、推理，找出其規(guī)律。例如，伽利略的理想實(shí)驗(yàn)為牛頓第一定律的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。

5. 物理中的數(shù)學(xué)模型。客觀世界的一切規(guī)律原則上都可以在數(shù)學(xué)中找到它們的表現(xiàn)形式。在建造物理模型的同時(shí)，也在不斷地建造表現(xiàn)物理狀態(tài)及物理過(guò)程規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)然，由于物理模型是客觀實(shí)體的一種近似，以物理模型為描述對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，也只能是客觀實(shí)體的一種近似的定量描述。例如，在研究外力不變時(shí)加速度和質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，認(rèn)為小車受到的拉力等于砂和砂桶的重力，其實(shí)，小車受到的拉力并不完全等于砂和砂桶的總重力。只有砂和砂桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車和砝碼的總質(zhì)量時(shí)，才可近似地取砂和砂桶的總重力為小車所受的拉力，這是我們采取簡(jiǎn)化計(jì)算的一種數(shù)學(xué)模型。

三、物理模型在教學(xué)中的運(yùn)用

1. 建立模型概念，理解概念實(shí)質(zhì)。概念是客觀事物的本質(zhì)在人腦中的反映，客觀事物的本質(zhì)屬性是抽象的、理性的。要想使客觀事物在人腦中有深刻的反映，必須將它與人腦中已有的事物聯(lián)系起來(lái)，使之形象化、具體化。物理模型大都是以理想化模型為對(duì)象建立起來(lái)的。建立概念模型實(shí)際上是撇開(kāi)與當(dāng)前考察無(wú)關(guān)的因素以及對(duì)當(dāng)前考察影響很小的次要因素，抓住主要因素，認(rèn)清事物的本質(zhì)，利用理想化的概念模型解決實(shí)際問(wèn)題。如質(zhì)點(diǎn)、剛體、理想氣體、點(diǎn)電荷等等。學(xué)生在理解這些概念時(shí)，很難把握其實(shí)質(zhì)，而建立概念模型則是一種有效的思維方式。

2. 認(rèn)清條件模型，突出主要矛盾。條件模型就是將已知的物理?xiàng)l件模型化，舍去條件中的次要因素，抓住條件中的主要因素，為問(wèn)題的討論和求解起到搭橋鋪路、化難為易的作用。例如，我們?cè)谘芯績(jī)蓚€(gè)物體碰撞時(shí)，因碰撞時(shí)間很短，忽略了摩擦等阻力，認(rèn)為系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變。條件模型的建立，能使我們研究的問(wèn)題得以簡(jiǎn)化。

3. 構(gòu)造過(guò)程模型，建立物理模型。過(guò)程模型就是將物理過(guò)程模型化，將一些復(fù)雜的物理過(guò)程經(jīng)過(guò)分解、簡(jiǎn)化、抽象為簡(jiǎn)單的、易于理解的物理過(guò)程。例如，為了研究平拋物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，我們先將問(wèn)題簡(jiǎn)化為下列兩個(gè)過(guò)程：第一，質(zhì)點(diǎn)在水平方向不受外力，做勻速直線運(yùn)動(dòng)；第二，質(zhì)點(diǎn)在豎直方向僅受重力作用，做自由落體運(yùn)動(dòng)。可見(jiàn)，過(guò)程模型的建立，不但可以使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化，還可以加深學(xué)生對(duì)有關(guān)概念、規(guī)律的理解，有利于培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性。

4. 轉(zhuǎn)換物理模型，深入理解模型。通過(guò)對(duì)理想化模型的研究，可以完全避開(kāi)各種因素的干擾，在思維中直接與研究對(duì)象的本質(zhì)接觸，能既快又準(zhǔn)確地了解事物的性質(zhì)和規(guī)律。例如，建立“單擺”這一理想化模型后，理解了單擺的周期公式，可以解決類似于單擺的一系列問(wèn)題：在豎直的光滑圓弧軌道內(nèi)作小幅度滾動(dòng)的小球的周期問(wèn)題；在豎直的加速系統(tǒng)內(nèi)擺動(dòng)的小球的周期問(wèn)題；在光滑斜面上擺動(dòng)的小球的周期問(wèn)題。

四、使用模型應(yīng)注意的問(wèn)題

1.模型是在一定條件下適用的。建立物理模型，可使問(wèn)題的處理大為簡(jiǎn)化而又不會(huì)發(fā)生大的偏差。現(xiàn)實(shí)世界中，有許多事物與這種“理想模型”十分接近，在一定場(chǎng)合、一定條件下，作為一種近似，可以把實(shí)際事物當(dāng)作“理想模型”來(lái)處理，但也要具體問(wèn)題具體分析。例如，在研究地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，由于地球與太陽(yáng)的平均距離(約14960萬(wàn)千米)比地球半徑(約6370千米)大得多，地球上各點(diǎn)相對(duì)于太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)可以看作是相同的，即地球的形狀、大小可以忽略不計(jì)，這樣就可以把地球當(dāng)作一個(gè)“質(zhì)點(diǎn)”來(lái)處理，但在研究地球自轉(zhuǎn)時(shí)，地球上各點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑不同，地球的形狀、大小不可以忽略，不能把地球當(dāng)作一個(gè)“質(zhì)點(diǎn)”來(lái)處理。

2. 物理模型是在不斷完善發(fā)展的。隨著科技的不斷進(jìn)步，人類對(duì)事物本質(zhì)的認(rèn)識(shí)也不斷深入和提高，物理模型也相應(yīng)地由初級(jí)向高級(jí)發(fā)展并不斷完善。例如，原子模型的提出就是一個(gè)不斷完善的過(guò)程。起初，人們認(rèn)為原子是不可分的，其英文名稱atom的原義，即不可分割的意思。直到1897年湯姆生通過(guò)陰極射線實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電子，揭開(kāi)了原子結(jié)構(gòu)的序幕，湯姆生認(rèn)為：原子是一個(gè)球體，正電荷均勻分布在球內(nèi)，電子像棗糕里的棗子那樣鑲嵌在原子里，這就是湯姆生的“棗糕式”原子模型，此模型能說(shuō)明原子是中性的，并能說(shuō)明輻射電磁波形成原子光譜，但解釋不了α粒子散射現(xiàn)象。盧瑟福進(jìn)行了α粒子散射實(shí)驗(yàn)，他認(rèn)為：在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)，這就是盧瑟福的“原子核式結(jié)構(gòu)”模型，此模型可以解釋?duì)亮Ｗ由⑸鋵?shí)驗(yàn)，還可以估算出原子核的大小，但與經(jīng)典電磁理論產(chǎn)生了兩個(gè)矛盾。玻爾為了解決上述矛盾，提出了原子的“軌道量子化”模型，這種模型的內(nèi)容是三條假設(shè)：即能級(jí)假設(shè)、躍遷假設(shè)、軌道假設(shè)。

總之，由于客觀事物具有多樣性，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律往往非常復(fù)雜，不可能一下子把它們認(rèn)識(shí)清楚。而采用理想化的客體(即物理模型)來(lái)代替實(shí)在的客體，就可以使事物的規(guī)律具有相對(duì)簡(jiǎn)單的形式，便于人們?nèi)フJ(rèn)識(shí)和掌握。建立正確的物理模型可使我們對(duì)物理本質(zhì)的理解更加細(xì)致深入，對(duì)物理問(wèn)題的分析更加清晰明了。所以，物理模型在教學(xué)領(lǐng)域有著重要的價(jià)值。