物理教學中模型法的應用

【摘 " "要】模型法作為科學研究的一種最基礎的方法，已在物理實驗教學中日益受到重視，文章介紹了替代模型、物理相似模型、過程模型和模型放大等幾種模型方法。

【關鍵詞】實驗 "模型法 "替代模型 "相似模型 "過程模型 "模型放大

模型法是通過設計與原型（自然現象或過程）相似的模型，并利用該模型來間接地研究原型規律的方法。它隨著生產和科學技術的發展而發展，是人類認識世界和改造世界最基礎的方法之一。此法應用于物理教學可使事過境遷或稍縱即逝的自然現象或過程在實驗室重現，可將現象簡化或進行時空的放大、縮小，可對那些既不能打開，又不能從外部直接觀察其內部狀態的系統進行研究。特別是解決那些尚無簡單有效的儀器可演示的實驗，模型法則成了一種重要的輔助手段。

物理實驗中的模型法，根據其特點及主要功能，并結合本人教學實踐，分為以下四類。

一、替代模型

就是用放大或縮小了的、相似的，而又能反映事物某方面規律的客觀實體來代替研究對象的方法叫替代模型。

替代模型的設計思想主要在于下述兩種情況：其一是為了突出客觀實體的主要矛盾和本質特征，摒棄次要的非本質因素，使研究對象從客觀實體中直接抽象出來。如質點、理想氣體、彈簧振子、點電荷、純電阻等理想模型，以及天體運動模型，微觀結構等幾何相似模型。在研究二極管的單向導電性時，在實驗基礎上，運用替代模型法，用自行車氣門和進水閥門來模擬二極管的單向導電性。如此，不但加深對“單向性”的認識，而且激發了興趣，開闊了思路。其二是為了解釋某些行為和特征而建立起來的模型。

二、物理相似模型

在科學研究和工程技術的許多領域中，人們常常希望利用模型試驗來代替對實際現象的研究，以便使我們可能在一定程度上預言某些在目前尚無法達到的條件下出現的情況。例如用水代替石油研究其在管道中的運動，用閉合電路中的導線在鋼錯上摩擦產生電磁波等。其特點即模型與原型遵循同樣的物理規律，故稱為物理相似模型。

物理實驗教學中的“失重和超重模型實驗”，“馬德堡半球”，帕斯卡裂桶等，均是物理相似模型的范例。

磁感線是用來形象地描述磁場的假想的曲線。做好“磁感線”的演示實驗模擬，對實現教學目標十分重要。因此我們可利用蓖麻油、鐵屑、磁鐵來做好這個實驗，使學生記憶深刻。

三、過程模型

把具體物理過程純粹化、理想化，并根據其本質特征而設計的一種模型叫過程模型。其特點是過程簡化，易于控制。

氣體壓強的分子運動論觀點，通常采用雨滴打傘等面來類比。這種大量分子對器壁連續碰撞的過程，如果用豆（或沙）落在平衡天平一端倒扣著的托盤底上的現象來模擬，就顯得直觀生動了。裝有鐵屑的試管模擬鐵棒的磁化和退磁等都是過程模型的成功例子。

分析曲線運動的思想方法——運動的分解是個難點，可以平拋運動為突破口，在演示有關實驗后，用“慢鏡頭”的方法，手持粉筆頭邊走（模擬水平勻速直線運動）邊沿自身前方，從上向下加速下移，以此模擬平拋運動，既簡單明了，又便于分析。熱學中的統計方法，由于受課堂教學時間的限制，怎樣從個別事件的無規律過渡到大量事件的有規律，成了模擬實驗的設計難點，在教學中采用全同等可能過程，在不同時刻的空間比較可以等效變換成同一時刻不同狀態的比較的方法，讓全班同學同時擲幣若干次，然后統計比較下列情況“國徽”朝上的次數：（1）某同學;（2）某小組同學;（3）全班同學。從而使學生既突破了難點又受到一次生動的方法論教育。

四、模型放大

在物理概念和規律教學中，學生往往對那些不易觀察或不能從外部直接觀察其內部狀態的規律，因缺乏形象的感性材料而引起思維障礙。模型放大正是采用空間放大和時間放大的方式，抓住本質特征，展現其生動直觀形象，從而促進思維順利進行。

液體壓強與流速的關系學生比較陌生，可以通過模型放大的方法加以演示，讓學生加深印象。具體方法是：把灌足有色水的氣球跟各部分粗細不同，且在粗細不同的地方有豎直小側管的水平玻璃管連接，讓豎直小側管管口向上。由于氣球膜的收縮力對水產生的水壓使氣球內的水通過玻璃管流出，這時我們看到，水在各個側管中上升的高度不同，接玻璃管粗處側管的水面升得較高，接玻璃管細處側管的水面升得較低，這說明流動液體的壓強在管道細的地方比粗的地方小，而在同一管道中，管道細的地方液體流速大，管道粗的地方液體流速小，故實驗表明：液體流速大處壓強小，液體的流速小處壓強大。如果我們用手擠壓氣球，這時看到玻璃管中水的流速加大，同時所有小側管中的水面下降;松手停止擠壓氣球，可看到玻璃管中水的流速變小，同時所有小側管中的水面上升。用這個方法，我們可以演示，液體流速大時壓強小，流速小時壓強大。

力的分解，關鍵是根據力產生的效果來確定分力的方向。其中三角支架是典型的問題，在教學中教師由兩個同學配合，一個同學用手撐著腰，另一個同學在手的肘部用力豎直往下拉，讓他感受力的作用效果。在講摩擦力的方向時，用長毛板刷來模擬放大物體的運動趨勢，一目了然。

綜上所述，模型法作為科學研究中的一種最基礎的方法，已在物理實驗教學中日益受到人們的重視。這種方法，必將在開拓設計思路，激發學生興趣，突破教學難點等方面發揮其獨特作用。