物理模型:敲開學習物理靈感之門

摘 要: 自然界中各事物之間復雜的相互聯系，使中學物理學習具有復雜性，物理模型的認識、構建及應用開啟了中學物理學習的靈感之門。如何正確認識、構建、掌握、運用物理模型解決實際問題，成為廣大師生極為關注的焦點問題。

關鍵詞: 中學物理教學 物理模型 運用途徑

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。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，反映了必然聯系的規律性，同時又存在著許多偶然性，使我們的研究具有復雜性。錢學森先生曾指出:“模型就是通過我們對問題的分解，利用我們考究得來的機理，吸收一切主要因素，略去一切不主要的因素所創造的出來的一幅圖畫……”它是構思在我們頭腦中的形象圖畫的，它能具體、形象、生動、深刻地反映事物的本質和主流。例如，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。

一、正確認知物理模型

模型是按照實物制作的簡化的樣品，模型不是實物，但是模型必須在一定程度上反映實物。最常見的模型是在幾何比例上與實物一致。

物理模型是心理構造物，是曾經作用于人的事物在頭腦中留下的形象，它的建立是由感知到思維過渡的必要環節。這種模型不是個別事物的形象，而是反映事物一般物理關系本質的簡化的一般表象。它是以視覺為主，不僅是立體的而且是變化的，也就是說是四維的，在心理活動中可以被操作，可以在想象中對它們進行觀察、測量和實驗。

二、物理模型在中學物理教學中的作用

正確建立和使用物理模型是理解和接受中學物理知識的一項必備能力。例如，我們在運動學中建立了“質點”模型，只有你對這一模型有了充分的認識和足夠的理解，才能為以后學習質點的運動、萬有引力定律、物體的平動和轉動，以及電學中的“點電荷”模型，光學中的“點光源”模型等奠定良好的基礎，學習這些新知識時容易理解和接受。

正確建立和使用物理模型有利于將復雜問題簡單化、明了化，使抽象的物理問題更直觀、具體、形象、鮮明，突出事物間的主要矛盾。

正確建立和使用物理模型對思維發展、解題能力的提高起著重要的作用。這樣可以把復雜隱含的問題化繁為簡、化難為易，起到事半功倍的效果。

三、中學物理中常見的物理模型

物理模型是物理思想的產物，是科學地進行物理思維并從事物理研究的一種方法。中學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，如質點，舍去物體的形狀、大小、轉動等性能，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。如果物體本身的大小在所研究的問題中可以忽略，也能當作質點來處理。類似質點的客觀實體還有剛體、點電荷、薄透鏡、彈簧振子、單擺、理想氣體、理想電流表、理想電壓表等。

2.物體所處的條件模型化。當研究帶電粒子在電場中運動時，因粒子所受的重力遠小于電場力，可以舍去重力的作用，使問題得到簡化。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，等等，都是把物體所處的條件理想化了。

3.物理狀態和物理過程的模型化。例如，力學中的自由落體運動、勻速直線運動、簡諧運動、彈性碰撞，電學中的穩恒電流、等幅振蕩，熱學中的等溫變化、等容變化、等壓變化等都是物理過程和物理狀態的模型化。

4.理想化實驗。在實驗的基礎上，教師應抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，根據邏輯推理法則，對過程進一步分析、推理，找出其規律。例如，伽利略的理想實驗為牛頓第一定律的產生奠定了基礎。

5.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，我們也在不斷地建造表現物理狀態，以及物理過程規律的數學模型。當然，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學模型，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量的關系實驗中，一般認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量遠小于小車和砝碼的總質量時，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學模型。單擺作簡諧運動時，為什么要求擺角小于10度?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、正確構建物理模型

正確構建物理模型是學習和解決物理問題的前提和關鍵，也是將所謂的“難題”轉化為常規問題的重要途徑。正確構建物理模型的途徑較多，有通過攝取信息構建物理模型，緊扣關鍵詞句構建物理模型，探究物理實質構建物理模型，探究問題的本質特征構建物理模型，探究隱含條件構建物理模型，通過類比等效的思維方法構建物理模型，等等。基本方法如下。

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.弄清題給信息的諸因素中什么是主要因素。3.尋找與已有信息(某種知識、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“難題”轉化為常規命題。

五、物理模型在中學物理學習過程中的運用途徑

1.建立模型概念，理解概念實質。概念是客觀事物的本質在人腦中的反映，客觀事物的本質屬性是抽象的、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系起來，使之形象化、具體化。物理模型大都是以理想化模型為對象建立起來的。建立概念模型實際上是撇開與當前考察無關的因素，以及對當前考察影響很小的次要因素，抓住主要因素，認清事物的本質，利用理想化的概念模型解決實際問題，如質點、剛體、理想氣體、點電荷等。學生在理解這些概念時，很難把握其實質，而建立概念模型則是一種有效的思維方式。

2.認清條件模型，突出主要矛盾。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。例如，我們在研究兩個物體碰撞時，因作用時間很短，忽略摩擦等阻力，認為系統的總動量保持不變。條件模型的建立，能使我們研究的問題得到很大的簡化。

3.結合模型構造情境模型，建立物理圖境。情境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。例如，為了研究平拋物體的運動規律，我們先將問題簡化為下列兩個過程:第一，質點在水平方向不受外力，做勻速直線運動;第二，質點在豎直方向僅受重力作用，做自由落體運動?？梢?，情境模型的建立，不但可以使問題得到簡化，而且可以加深對有關概念、規律的理解，有利于培養個體思維的靈活性。

4.轉換物理模型，深入理解模型。通過對理想化模型的研究，我們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。

5.物理模型向數學模型的轉化。建立物理模型后，分析與主要因素有關的基本物理量中，哪些是常量，哪些是變量;哪些是矢量，哪些是標量;哪些是過程量，哪些是狀態量;哪些是已知量，哪些是待求量。再根據物理規律找出各物理量之間的關系式，抽象出研究對象的數學模型。

六、使用模型應注意的問題

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生大的偏差。在現實世界中，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，在研究地球繞太陽公轉運動的時候，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、大小可以忽略不計，這樣就可以把地球當作一個“質點”來處理;但在研究地球自轉時，地球上各點的轉動半徑不同，地球的形狀、大小不可以忽略，不能把地球當作一個“質點”來處理。

2.物理模型是在不斷完善發展的。隨著社會的不斷進步，人類對事物的本質的認識也是不斷深入和提高的，物理模型也相應地由初級向高級發展并不斷完善。例如，原子模型的提出就是一個不斷完善的過程。起初，人們認為原子是不可分的，其英文名稱atom的原義，即“不可分割”。直到1897年湯姆生通過陰極射線實驗發現電子，揭開了原子結構的序幕，湯姆生認為:原子是一個球體，正電荷均勻分布在球內，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粒子散射現象。盧瑟福進行了α粒子散射實驗，他認為: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量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間繞核旋轉，這就是盧瑟福的“原子核式結構”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，但與經典電磁理論產生了兩個矛盾。玻爾為了解決上述矛盾，提出了原子的“軌道量子化”模型，這種模型的內容是三條假設，即能級假設、躍遷假設、軌道假設。

總之，由于客觀事物具有多樣性，它們的運動規律往往是非常復雜的，我們不可能一下子把它們認識清楚。而采用理想化的客體(即物理模型)來代替實在的客體，就可以使事物的規律具有比較簡單的形式，從而便于去認識和掌握它們。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。

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