物理模型在高中物理教學中的運用

一、物理模型在教學中的作用

1.有利于學生將復雜問題簡單化、明了化，使抽象的物理問題更直觀、具體、形象、鮮明，突出了事物間的主要矛盾。

2.對學生的思維發展、解題能力的提高起著重要的作用。可以把復雜隱含的問題化繁為簡、化難為易，起到事半功倍的作用。

3.可以提高學生理解和接受新知識的能力。例如，在運動學中建立“質點”模型，為以后學習電學中的“點電荷”模型、光學中的“點光源”模型等奠定了良好的基礎。

二、構建物理模型的途徑

模型，是一種理想化的物理形態，是物理知識的一種直觀表現。科學家作理論研究，通常都要從“造模型”入手，利用抽象、理想、簡化、類比等方法，把研究對象的本質特征抽象出來，構成一個概念或實物的體系，即形成模型。一般說來，構建物理模型的途徑有四種。

1.明確物理過程，構建準確的物理模型

【例1】 如圖所示，兩大小不同的圓形薄板，

質量分別為M和m(M=2m)，半徑分別為

R和r，兩板之間用一根長L=0.4m輕質繩

相連接。開始時，兩板水平疊放在支架C上方高 h=0.2m處，兩板一起自由下落，支架上有一個半徑R1(r

解析:本題可分為以下幾個階段:

⑴兩板自由下落(兩板可抽象為一個質點模型)。

⑵大圓板與支架相碰，且沒能量損失(彈性碰撞模型)然后小圓板繼續下落。

⑶繃緊瞬間，兩板通過繩的相互作用獲得共同速度(完全非彈性碰撞模型)。

2.緊扣關鍵詞句，構建物理模型

【例2】 如圖所示，一個U型導體框架，寬度為L=1m，其所在平面與水平面交角θ=30°，其電阻可以忽略不計，與勻強磁場的平面垂直，B=0.2T。今有一條形導體ab，其質量m=0.2kg，電阻R=0.1Ω，跨放在U型框架上，并能無摩擦地滑動。求導體ab下滑的最大速度。

解析:題目中求“最大速度”幾個字，

是提示物理模型的關鍵性詞句。最大者，意

在指不可再增加，就是說，導體ab將以此

速度沿導軌斜向下作勻速直線運動。

從這幾個字出發，通過抽象思維，同學們在頭腦中應建立這樣一幅物理圖像:導體ab開始下滑時，速度為零，在斜軌上受下滑力(重力的分量)作用，加速度最大;隨著下滑速度的增加，導體ab產生的感應電動勢增加，感應電流增加，磁場對導體的安培力也增加;由于安培力和下滑力方向相反，所以導體的加速度越來越小，而速度仍越來越大;當下滑速度大到使安培力和下滑力平衡時，加速度為零，速度不再增加而以此最大速度做勻速直線運動。據此模型，就不難找到導體ab平衡的物理條件。

3.抓住問題的本質特征，構建物理模型

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接觸，能既快又準確地了解事物的性質和規律。例如，建立起“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題:在豎直的光滑圓弧軌道內作小幅度滾動的小球的周期問題;在豎直的加速系統內擺動的小球的周期問題;在光滑斜面上擺動的小球的周期問題。

【例3】 如圖所示，在豎直平面內，放置一個半徑很大的圓形光滑軌道，O為其最低點。在O點附近P處放一質量為m的滑塊，求滑塊由靜止開始滑至O點時所需的時間。

解析:滑塊m向圓弧最低處的滑動不同于沿

斜面的滑動，這是一個復雜的變速曲線運動，

顯然用牛頓定律、動量定理等方法都難以求解。

但如果我們已經掌握了單擺模型的本質特征，

就可以判斷滑塊受力情況與單擺相同:因為滑塊從P點運動到O點的半徑夾角小于5°，所以，完全可以把滑塊的運動等效為單擺的擺動模型。

三、高中物理中常見的物理模型

1.物體所處的條件模型化條件模型就是將已知的物理條件模型化，舍去條件中的次要因素，抓住條件中的主要因素，為問題的討論和求解起到搭橋鋪路、化難為易的作用。條件模型的建立，能使我們研究的問題得到很大的簡化。如力學中的光滑面，熱學中的絕熱容器，電學中的勻強電場、勻強磁場。

2.物理對象模型化物理中的某些客觀實體，如質點，舍去物體的形狀、大小、轉動等因素，突出它所處的位置和質量的特性，用一有質量的點來描繪，這是對實際物體的簡化。類似質點的客觀實體還有點電荷、點光源、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。

3.物理狀態和物理過程的模型化過程模型就是將物理過程模型化，將一些復雜的物理過程經過分解、簡化、抽象為簡單的、易于理解的物理過程。可見，過程模型的建立，不但可以使問題得到簡化，還可以加深學生對有關概念、規律的理解，有利于培養學生思維的靈活性。

4.物理中的數學模型客觀世界的一切規律原則上都可以在數學中找到它們的表現形式。在建造物理模型的同時，也在不斷地建造表現物理狀態及物理過程規律的數學模型。單擺作簡諧運動時，為什么要求擺角小于5°?這是因為只有在這種情形下，單擺的回復力才近似與位移成正比，才滿足簡諧運動的條件。

四、使用模型應注意的問題

模型的建立是有一定條件的，不是隨意的。建立物理模型，可使問題的處理大為簡化，而又不會發生大的偏差。現實世界中，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，可以把實際事物當作“理想模型”來處理，但也要具體問題具體分析。例如，在研究火車從北京開往南寧的時候，由于北京與南寧距離比火車的長度大得多，火車的形狀、大小可以忽略不計，這樣就可以把火車當作一個“質點”來處理;但在研究火車過橋時，火車的形狀、大小不可以忽略，不能把火車當作一個“質點”來處理。可見同一物體在不同的場合模型可能不同，所以在處理問題時要慎重考慮。

物理學是一門研究物體最普遍、最基本的運動形式的自然科學，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。例如，在研究物體的機械運動時，實際運動往往非常復雜，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。

總之，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。建立正確的物理模型可使我們對物理本質的理解更加細致深入，對物理問題的分析更加清晰明了。

參考文獻

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(責任編輯 易志毅)