高中物理模型教學研究

【摘要】高考改革總趨勢是由知識立意轉向能力立意，試題內容大多源于生產生活實際，這類試題都要求學生能根據題目的信息，建立合適的物理模型，再利用物理模型所遵循的規律解題從教學實踐中發現，學生在遇到聯系生產生活實際的物理問題時，往往會不知所措，原因是他們不能根據實際物理問題抽象出理想化的物理模型，為了有效改善這種局面，本文提出開展物理模型教學。物理模型，就是人們為了研究物理問題的方便和探討物理事物的本質而對研究對象所作的一種簡化的描述和模擬。

【關鍵詞】理想化；問題解決；物理模型；物理模型教學

一、物理模型及其分類、主要特征、作用

我們不能把模型僅僅理解成是一種將實際物體小型化或大型化的實體，比如飛機模型、艦船模型和原子結構模型等。其實這只是模型的一種形式。從廣泛的意義上講，“一個模型既可以是一個裝置、一個計劃、一份草圖、一個等式、一個計算機程序，甚至也可以僅僅是一種想象。不論模型是物質的或是概念的，模型的價值在于能夠解釋事物是如何或可能運轉的。”

二、物理模型分類

對于物理模型的分類，依據不同的標準，有不同的分類法，有人認為可以分為對象模型條件模型和過程模型，也有人認為可分為實體模型。系統模型和過程模型等等；從廣義上講，物理學中的各種基本概念，如長度、時間、空間等都可以稱為物理模型，因為它們都是以各自相應的現實原型為背景而抽象出來的最基本概念。從狹義上講，只有那些反映特定物理現實和物理問題的理想化實體、理想化過程、理想化狀態、理想化結構等才能叫做物理模型，由于我們談論的主要是一些具體的物質結構、物理現象、過程、狀態等，所以我這里談到的物理模型，一般是指狹義的模型，從中學物理教學實踐我們知道，在實際應用中最關鍵是要解決兩個環節：第一要明確學習和研究的對象是什么？第二要明確學習和研究的對象是如何運動變化的、遵循什么樣的規律？按照這兩個環節將物理模型分類，我們會發現中學物理教學中涉及到的常見的物理模型應包括對象模型和過程模型兩類：①對象模型對象模型是根據研究對象的特點，舍棄次要的、非本質的因素，抓住主要的、本質的因素，從而建立的一個易于研究的、能反映研究對象主要特征的新形象自然界存在的每個物體都有許許多多特點，如尺寸、形狀、質量、溫度、熱容量、導電性、顏色等等，在物理學中，我們把這些特點分別歸入力、熱、電、光等各個學科里分別研究理想模型是對研究對象的特點進行科學抽象與概括的結果，理想模型在物理學中到處可見，如質點、彈簧振子、單擺、—理想氣體、點電荷、理想變壓器、薄透鏡、剛體、理想流體等另外還有一些，諸如點光源、近軸光線、電力線、磁力線等，都是人們根據它們的物理性質，用理想化的圖形來模擬的概念，如光線就是用帶有箭頭的線段來表示理想對象模型是物理規律和物理理論賴以建立和發展的基礎，在物理學中具有不可替代的作用。②過程模型；過程模型是為了研究復雜問題，建立在物體運動變化過程的基礎上，根據研究問題的性質和需要，在包含多種復雜因素的物理過程中，找出主要因素，略去次要因素，建立能夠揭示事物本質的理想過程。如質點運動的各種典型模型：自由落體運動、勻速直線運動、勻變速直線運動、簡諧振動、完全彈性碰撞；熱學中的等溫變化、等容變化、等壓變化、絕熱變化等等都是將物理過程模型化。將物理學中的研究對象模型化，僅僅是研究伺題的開始，更重要的是找出研究對象運動過程所遵循的規律，以便用過程模型規律來解決實際問題。拿自由落體運動來說，它是指物體只在重力作用下，從靜止開始下落的運動”這樣的運動實際上是不存在的，因為總會有空氣阻力等其他因素的影響可是如果我們要研究一個物體在地面附近由靜止開始下落的運動，這在物理學中己經是一種非常簡單的運動，但就對于這樣一種簡單的運動，如果不建立物理過程模型，也會變得無從下手，因為物體下落時，影響物體運動的因素很多，首先是重力，根據萬有引力公式，它隨著小球下落過程中與地面距離的改變而變化；其次是物體所受的空氣阻力，它與小球的形狀、大小和下落速度有關，同時還與風速、風向、物體下落中的轉動有關，如果要綜合考慮這些因素，找出物體下落的定量規律就十分困難，其實我們可以在分析的基礎上，忽略次要因素，將物體運動想為一個理想的過程。在一定的高度范圍內，當物體從地面上空某一高處下落時，可認為重力不變；當物體下落的速度不大時，可忽略空氣阻力的作用；同時也可不計地球的自轉、風速以及物體的形狀、大小、物體的轉動等因素的影響，這樣該物體的運動就可以看作是一個質點在均勻重力場中只受重力作用下的一種運動，我們稱之為自由落體運動，通過對物體運動過程的理想化，我們方便地得出了物體下落的規律，而且這一規律可近似代表實際物體的運動規律，以上是對物理模型進行了簡單的分類，值得一提的是，同一個物體或過程對應的物理模型不能絕對化，往往同一個物體或過程它可以成為幾個模型，以太陽為例，當我們研究它對天體的引力時，需要把它看作質點。

三、物理模型的主要特征

（1）抽象性和形象性的統一一般情況下，物理模型的建立過程是一個抽象思維和形象思維相結合的過程，而建立的物理模型本身又是抽象性與形象性的統一體。如質點模型的建立主要利用了抽象的方法（當然有形象思維參與，需要一定的形象作為依托），質點模型是用一個沒有大小、形狀，而具有物體質量的點（具有抽象性）來代替實際物體（具有形象性），是抽象性與形象性的統一體。

（2）科學性與假定性的統一，物理模型不僅反映了原型的直觀形象，反映了原型的主要特征，抓住了影響問題的主要因素，而且要以科學知識和實驗事實為依據，經過分析、綜合、比較、抽象、概括、推理等一系列邏輯論證，建立相應的物理模型，因而具有科學性。

（3）美學性，我們知道，自然界是統一的、和諧的，隨著物理學的發展和觀察、實驗材料的豐富，物理學家們越來越把對稱、和諧、簡潔、多樣統一等看作是一個重要的哲學理念，以此來指導物理學研究，即運用臻美法來研究物理學問題，臻美就是在創造性思維過程中，按照美的規律，對尚不完善的對象進行加工、修改以至重構的思維方法，在建立物理模型的過程中具有啟發作用，往往使物理模型更簡潔。

（4）物理模型對物理學習的作用，物理模型有助于學生獲得科學的物理思維方法物理學的研究所涉及的問題，有很多是非常抽象、非常復雜的，要進行完整、全面、直接的研究是非常困難的。如力，它看不見、摸不著，研究起來無從下手，但是用“帶箭頭的有向線段”這一模型來表示力，就會使力一下子變的直觀、形象了；可見物理模型可化抽象為形象、化復雜為簡單、使原來只能定性了解的物理現象，可以用定量的辦法來研究，這是恰恰是一種科學的物理思維方法。

翻開物理教科書，無論哪一部分內容都有物理模型比如力學中有質點模型、剛體模型，也有勻速直線運動模型、自由落體運動模型、勻變速直線運動模型、簡諧運動模型等；熱學中有理想氣體模型；電學中有點電荷模型、電力線模型；光學中有點光源模型、波粒二象性模型；它們的引入不僅為宏觀物理理論規律性的研究提供了方便，而且對探索微觀世界的奧妙也是至關重要的。

參考文獻：

[1] 閻金鐸主編，田世昆，胡衛平編著.物理思維論[M].廣西教育出版社，1996年12月第一版

[2] 閻金鐸主編，田世昆，胡衛平.物理思維論〔M].廣西教育出版社，1996年12月第1版

[3] 恩格斯.自然辯證法[M].人民出版社，1971

作者簡介：

闞曉帆（1991～）男，遼寧沈陽人，本科生（大四），專業：物理學。