物理模型在教學(xué)中的運用

物理學(xué)是一門研究物質(zhì)最普遍、最基本的運動形式的自然科學(xué)。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，在研究物體的機械運動時，實際上的運動往往非常復(fù)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?yōu)榭赡芎秃喕?，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。物理模型是在抓住主要因素忽略次要因素的基礎(chǔ)上建立起來的，它能具體、形象、生動、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的能力。例如，我們在運動學(xué)中建立了“質(zhì)點”模型，學(xué)生對這一模型有了充分的認(rèn)識和足夠的理解，為以后學(xué)習(xí)質(zhì)點的運動、萬有引力定律、物體的平動和轉(zhuǎn)動，以及電學(xué)中的“點電荷”模型、光學(xué)中的“點光源”模型等奠定了良好的基礎(chǔ)，使學(xué)生學(xué)習(xí)這些新知識時容易理解和接受。

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

建立和正確使用物理模型對學(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)雜隱含的問題化繁為簡、化難為易，起到事半功倍的效果。

二、中學(xué)物理中常見的物理模型

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)物理中常見的物理模型可歸納如下：

1.物理對象模型化。物理中的某些客觀實體，如質(zhì)點，舍去物體的形狀、大小、轉(zhuǎn)動等性能，突出它所處的位置和質(zhì)量的特性，用一有質(zhì)量的點來描繪，這是對實際物體的簡化。當(dāng)物體本身的大小在所研究的問題中可以忽略，也能當(dāng)作質(zhì)點來處理。

2.物體所處的條件模型化。當(dāng)研究帶電粒子在電場中運動時，因粒子所受的重力遠(yuǎn)小于電場力，可以舍去重力的作用，使問題得到簡化。力學(xué)中的光滑面，熱學(xué)中的絕熱容器，電學(xué)中的勻強電場、勻強磁場等等，都是把物體所處的條件理想化了。

3.物理狀態(tài)和物理過程的模型化。例如，力學(xué)中的自由落體運動、勻速直線運動、簡諧運動、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程和物理狀態(tài)的模型化。

4.理想化實驗。在實驗的基礎(chǔ)上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，根據(jù)邏輯推理法則，對過程進(jìn)一步分析、推理，找出其規(guī)律。例如，伽利略的理想實驗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?？陀^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，也在不斷地建造表現(xiàn)物理狀態(tài)及物理過程規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)然，由于物理模型是客觀實體的一種近似，以物理模型為描述對象的數(shù)學(xué)模型，也只能是客觀實體的近似的定量描述。例如，在研究外力一定時加速度和質(zhì)量的關(guān)系實驗中，認(rèn)為小車受到的拉力等于砂和砂桶的重力。其實，小車受到的拉力不正好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，才可近似地取砂和砂桶的總重力為小車所受的拉力，這是我們采取簡化計算的一種數(shù)學(xué)模型。

三、使用模型應(yīng)注意的問題

1.模型是在一定條件下適用的。建立物理模型，可使問題的處理大為簡化而又不會發(fā)生大的偏差?，F(xiàn)實世界中，有許多事物與這種“理想模型”十分接近，在一定場合、一定條件下，作為一種近似，可以把實際事物當(dāng)作“理想模型”來處理。但也要具體問題具體分析。例如，在研究地球繞太陽公轉(zhuǎn)運動的時候，由于地球與太陽的平均距離(約14960萬千米)比地球半徑(約6370千米)大得多，地球上各點相對于太陽的運動可以看作是相同的，即地球的形狀、大小就可以忽略不計，這樣就可以把地球當(dāng)作一個“質(zhì)點”來處理；但在研究地球自轉(zhuǎn)時，地球上各點的轉(zhuǎn)動半徑不同，地球的形狀、大小就不可以忽略，不能把地球當(dāng)作一個“質(zhì)點”來處理。

2.物理模型是在不斷完善發(fā)展的。隨著社會的不斷進(jìn)步，人類對事物的本質(zhì)的認(rèn)識也是不斷深入和提高的，物理模型也相應(yīng)地由初級向高級發(fā)展并不斷完善。例如，原子模型的提出就是一個不斷完善的過程。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年湯姆生通過陰極射線實驗發(fā)現(xiàn)電子，揭開了原子結(jié)構(gòu)的序幕。湯姆生認(rèn)為：原子是一個球體，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，此模型能說明原子是中性的，并能說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粒子散射實驗，他認(rèn)為：在原子的中心有一個很小的核，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α粒子散射實驗，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，它們的運動規(guī)律往往是非常復(fù)雜的，不可能一下子把它們認(rèn)識清楚。而采用物理模型來代替實在的客體，就可以使事物的規(guī)律具有比較簡單的形式，從而便于人們?nèi)フJ(rèn)識和掌握它們。所以，物理模型在教學(xué)領(lǐng)域有著重要的價值。