物理模型在教學中的應用

李萌

摘要： 任何物理模型都是采用理想化方法，通過對原型客體（具體事物）在一定條件下的合理近似而抽象出同類原型客體的共同性而建立的。它是一個主觀抽象和客觀具體的辨證統一體，具有理想性和客觀性、抽象性和可變性。由此決定了建立和應用物理模型的心理機構是想象和遷移，并需要抽象思維與之對應。而中學生的抽象思維還沒達到定型階段，還不能完全去應用，故物理模型在物理教學中造成了一定難度。因此本文就物理模型在中學物理教學中的應用作初步探討。

關鍵詞： 物理模型物理教學思維方法應用

1.緒論

物理學的研究對象遍及整個物質世界，大至天體，小至基本粒子，廣闊無邊。物理學的目的就在于認識自然把握自然。但是自然界中任何事物與其他許多事物之間總是存在著千絲萬縷的聯系，并處在不斷變化之中。面對復雜多變的世界，人們在著手研究時，總是遵循一條重要的方法原則，即從簡到繁，先易后難，循序漸進，逐次深入。根據這條原則，人們在處理復雜的問題時，總是試圖把復雜的問題分解成若干個比較簡單的問題逐個擊破。

基于這樣的一個思維過程，人們就創建了“物理模型”。物理模型是一種理想化模型，這就要求思維過程具有一定的抽象性。因此在物理教學中使學生正確建立和運用物理模型，不僅有助于他們學習物理知識，更有助于培養他們的抽象思維能力和創新能力。

2.物理模型的概述

物理模型是指：人們為了研究物理問題的方便和探討物體事物的本質而對研究對象所作的一種簡化的描述或模擬。

（1）物理模型的種類

①實物物理模型

例如：人們對事務的認識過程，總是從感性認識到理性認識。心理學研究表明，人腦對事務的認識是從表象開始的。這就要求教師在教學中，要盡量多地將實物、圖片等展示給學生，以形成表象基礎。

②理論物理模型

例如：過渡狀態的勢能面物理模型、近代粒子物理。

③實體理想物理模型

例如：質點、系統、理想氣體、點電荷、勻強磁場、勻強電場。

④過程理想物理模型

例如：等溫、等容、等壓過程；勻速直線運動；拋體運動簡諧運動恒定電流，等等。

（2）物理模型的特征

①抽象性和形象性的統一

②科學性和假定性的統一

3.如何構建物理模型

構建模型是科學研究的基本方法之一，模型在物理學中也得到了廣泛應用。物理模型是物理學理論體系的基石，物理模型的構建當然也是物理學研究的方法之一。只有了解如何構建物理模型才能把它更好地應用在教學中。

（1）構建物理模型的思維方法

①量綱分析法

②抽象歸納法

③類比法

④理想化方法

⑤構造法

⑥等效代換法

⑦微元法與迭代法

例如構造法：有些模型在實際中是根本不存在的，但為了研究問題的方便，我們往往形象地引入一虛擬的物質結構或過程。例如為了便于描述光的傳播，我們引入了光線；為了便于描述磁場的方向，我們引入了磁感線。

類比法：人對客觀世界的認識，是由表及里、由個別一般的過程。我們在教學中建立物理模型，必須符合這一規律。如，在高中物理中，學生對速度的改變△V、動量的改變△P等矢量的認識有一定困難。為了降低學生接受知識的難度，我們先建立在同一直線上的矢量減法模型。如某物體原來的速度為V，后來的速度為V，則速度的改變△V=V-V，我們可引導學生這樣建立模型：將表示V、V的有向線段的始端共點，則從V的箭端指向V的箭端的有向線段表示了△V（如圖1、2所示）再引導學生發現：當V、V不在一直線上時，上述法則仍然成立（如圖3）。這樣，就可以輕易地建立起矢量三角形模型。

構建物理模型的方法很多，這里只列舉兩種，無論哪種方法都可以幫助學生去體會及應用到具體教學中，使復雜的問題簡單化。

（2）構建物理模型的實踐方法

為了增強學生對知識的感性認識，提高學生學習的興趣，構建好物理模型是非常重要的。這樣能讓學生感受到實在的物理知識，產生一種物理就在身邊的親切感。在具體教學課堂中也可通過下述方法幫助學生建立物理模型。

①通過實驗建立

②運用現實生活例子建立

③通過課件模擬建立

物理學是一門實驗科學，觀察和實驗是研究物理學的根本方法。實驗是連接認識的主體和客體的紐帶。實驗首先為物理概念和規律的建立奠定了表象基礎，在學生的腦海中形成了一個個具體形象的物理模型，更為重要的是通過有目的的實驗，可以引導學生由抽象思維形成具有思維特征的物理模型。

有些物理概念和規律，學生在生活中很少感知，那么在主體和認識客體間就缺少必要的中介物。例如：在講電和磁的關系時，只有做好實驗，學生才能發現、理解電生磁、磁生電、磁場對電流有作用等物理現象，形成清晰的物理模型。

學生頭腦中有時積累了一些感性材料、生活經驗，但有些經驗是模糊的，動搖的，甚至是錯誤的。這就要求教師在教學中進行生動演示，突出主要部分，使模糊的得以清晰，對錯誤的加以改正。例如：學生根據自己的生活經驗對運動和力有些模糊的認識。在教學中就要做好斜面小車實驗，分析實驗，推出牛頓第一定律，在這個基礎上才能更好理解運動和力的關系，在頭腦中形成關于運動和力的關系的正確模型。

當然，建立物理模型的方法是很多的，我們在教學過程中，應根據知識特點和學生特點作出適當的選擇。值得一提的是，在教學過程中，如果我們采用多媒體教學手段去建立物理模型，將會使模型更形象化、生動化，更能幫助學生加深理解，從而更好地達到我們的教學目的。

4.物理模型在教學中的應用

通過上述介紹了什么是物理模型，如何構建物理模型等知識，從而進一步對物理模型在教學中的應用作深入的探討。

（1）物理模型在物理概念教學中的應用

在物理學中，有很多的概念都是以理想化模型為對象建立起來的。例如：質點、單擺、點電荷、理想氣體，等等。比如在“單擺”的教學中，同學們都知道在生活中經常可以看到懸掛起來的物體在豎直平面內做擺動，那么擺動屬于一種什么運動呢？這就引入了實際擺的理想化物理模型——單擺。如果懸掛小球的細線的伸縮和質量可以忽略，線長又比球的直徑大的多，這樣的裝置就叫做單擺。從而自然地引入了“單擺”的概念。

通過這個例子可以看出，當學生很難把握一些物理概念時，建立相應的概念模型是一種非常有效的思維形式，這樣能夠使學生很容易并且充分地理解物理概念。

（2）物理模型在物理規律教學中的應用

探索物理規律，是以抽象思維結合的教學手段，引導學生通過科學抽象和概括，將具體的復雜的物理過程，用簡化的模型來代替，突出主要矛盾，簡化問題，從而便于研究物體的主要性質，便于找出其中的主要規律。

如“牛頓第一定律”的發現，在最早時人們普遍認為力是維持物體運動的原因，用力推車子，車子才前進，停止用力，車子就要停下來。然而，一直到17世紀伽利略才根據實驗推出：在水平面上運動的物體所以會停下來是因為受到摩擦阻力的緣故。設想沒有摩擦，一切物體具有某一速度，物體將保持這個速度繼續運動下去。伽利略的實驗雖然是理想中的實驗，但它是建立在可靠的事實為基礎，經過抽象思維抓住主要因素，忽略次要因素，從而更深刻地揭示了自然規律。正是因為這樣，牛頓在伽利略等人的研究基礎上根據自己的研究系統地總結了力學的知識，提出了“牛頓第一定律”，即一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，直到有外力迫使它改變這種狀態為止。

在物理教學中，很多的物理規律也是通過物理模型而總結概括的，這樣忽略了次要因素，抓住主要因素，通過科學抽象總結出物理規律。

（3）物理模型在解決應用型物理問題中的應用

應用性物理問題是直接取材于生產、生活及大自然，通過簡單的加工而成的。與物理教材中常見的抽象問題相比有較大的區別。解決這類問題的關鍵就在于把生活中的原理正確地轉換成物理模型。

例如：在“原子的核式結構”的教學中，最早人們認為電子是原子的組成部分，直到1911年物理學家盧瑟福和他的助手們進行了α粒子散射的實驗。用α射線照射金箔，由于金原子中的帶電微粒對α粒子有庫侖力的作用，一些α粒子穿過金箔后會改變原來的運動方向，這個現象叫做α粒子的散射。盧瑟福希望通過對散射的分析來了解原子內部電荷與質量的分布情況。實驗的結果是，絕大多數α粒子發生了較大的偏轉。實驗觀察到的現象使盧瑟福感到十分驚奇，于是他精確統計了向各個方向散射的α粒子的數目，在此基礎上提出了原子的核式結構模型即：在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，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的空間運動。

運用物理模型可以使復雜的問題簡單化，就像上個例子一樣，結合物理模型來講原子結構知識就把問題簡單化了，從而能夠使學生更好地理解。

（4）物理模型在解答物理問題中的應用

解題過程其實就是還原擬題者物理模型的過程。我們需要把題目中的物理過程和物體簡化成理想模型。事實告訴我們，千變萬化的物理習題都是根據一定的物理模型建立的。

例如：如圖所示，圓弧AO表示一個光滑凹圓槽的橫截面，它所對的圓心角小于5，試比較小球從槽中1、2位置靜止釋放運動到O點的時間？解題過程可歸納如下：

①讀題，確定研究對象。首先要把習題的主要內容看懂，不要因為馬虎等原因落讀任何一條信息；其次確定此題要研究的對象為圓弧AO，以及小球1、2。

②確定研究對象的實體物理模型。根據題設條件分析小球運動的受力情況得出，它和單擺擺球運動時的受力情況相似（支持力和擺球的拉力等效）。所以，可以看成單擺模型來研究分析。

③以實體模型和習題給出的已知條件，待求量出發確定研究對象狀態變化的過程模型。在滿足題設條件下，小球從圖中1或2位置運動到O點的情況和單擺在做簡諧運動在4周期內擺球從振幅運動至平衡位置情形相同。

④通過推理計算最后把整個問題全分析完之后，我們就可以將待求問題轉換為熟悉的單擺運動模型。小球運動至O點的時間與振幅無關，即與小球運動的初始位置1或2無關。

通過上面這道題可以看出，解答物理習題的過程就是對所研究的問題構成模型、分析模型、計算模型的過程。通過這一個例子就可以舉一反三，從而使學生掌握解題技巧，提高解題效率。

5.課題研究的成果、意義

本文通過對物理模型的概述和了解構建物理模型的分類方法，以及物理模型在教學中的一些應用，從而得出了物理模型在物理教學中應用上的一些思想、方法和規律。在中學物理教學中，能夠循序漸進地啟發、引導學生合理建立、應用物理模型，處理比較復雜的物理問題，熟悉并掌握這種科學研究的思維方法，養成良好的思維習慣，也能夠使學生加深對物理概念和規律的理解，提高解題技巧，并且可以培養和提高學生的創新能力和綜合素質。此課題在教學法理論的構建上，也體現了理論教學規律的認識。

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