簡論解決物理問題的模型思維方法

馬華麗

【摘要】物理模型思維在中學的研究和學習中是物理學習、分析處理和解決物理問題的思維方法。通過簡化和純化研究對象及其所處的狀態和發展變化的過程，大大的方便了對物理問題的處理。在許多實際的物理問題中，有些研究對象以及它們所處的狀態和發展變化的過程都比較接近物理模型，更拓寬了物理模型的應用范圍。

【關鍵詞】物理問題 模型思維 模型分類 模型轉換

高中階段學生解決問題存在的困難就在于不能隨著物理情景的變化而建立恰當的物理模型，從而尋找適合的物理規律。學生由于思維定勢，拿到實際題目后不能從審題中確定準確的物理圖景，建立恰當的物理模型，而是想當然的和以往的題目做比較，熟悉的就套公式，不熟悉的就無從下手，長期就導致學生學習物理沒有興趣，不知來龍去脈，更談不上從解題過程中鞏固基礎知識，培養各種思維能力的目的。因此在高中物理教學中一定要重視物理模型思維方法的培養。

一、模型的分類

物理模型是一個理想化的形式，可以從不同的角度有不同的區別，為了便于理解和應用，根據中學物理教學和教學功能模型的特點，可以分為三類：對象模型，條件模型，過程模型。

（一）對象模型

在具體的物質組成的地方使用，被稱為代表實體對象系統的對象模型。這種類型的模型是最常見的，在高中物理中剛體、杠桿，輕彈簧，質子、單擺、彈簧振子、分子模型，絕緣材料、黑體、理想導體、絕緣體、理想電表、純電阻、無限長螺線管，薄透鏡原子的核結構模型等。

（二）過程模型

具體的物理過程理想化，抽象的純物理過程，被稱為過程模型。事情的性質發生變化的各種路徑是極其復雜的，在物理學的研究，不可能面面俱到。主要是區分其主要因素和次要因素，然后忽略次要因素，在運動的過程中獲得變化結果，以便只留下的主要因素。理想的模型，如勻速直線運動，勻變速直線運動等運動過程，都是以突出某一方面的主要特點，忽略一些二次加工后的過程而抽象成為理想的過程。這些都是一個過程模型。

（三）狀態模型（也稱為有條件的模型）

研究的外部條件是處于理想狀態中，排除在外部條件的次要因素的干擾是研究運動的本質特征，突出的外部條件，是我們之所以建立物理模型的最重要因素。因此而建立的模型被稱為狀態模型。如光滑平面，燈桿，燈繩，均勻介質，均勻的電場，等等，都屬于有條件的模型。有條件的模型的建立，是為了簡化問題的復雜性，從而在一種理想的運動狀態中得出它的運動模式。

在教學中根據中學物理中的大量實際問題的諸多特點而建立的上述三種模式，事實上，在相同的物理問題，往往需要創建多個模型，多種模型往往利用集成的物理問題的研究不可分離的模型，我們不能僅僅滿足對知識的學習，應基于物理的思維方式，注意方法的滲透，自覺學習，注意加強意識的模型，選擇適當的模式來解決物理問題。

二、模式轉型

理想的模式是不僅物理學賴以建立的基本思路，而且在解決實際問題的重要途徑和方法用于物理。物理模型是有限的，但客觀事物是無限的，尤其是高中物理教學，由于學生所學的物理知識和數學能力的限制，約束，許多物理模型不能直接抽象為學生熟悉與模型。這就需要我們引導學生某些類型的操作，他們是熟悉另外一個陌生的模型的替代模型，只要在該模型的前提下，同樣的效果轉換，往往使問題變得更簡單，更具體，更生動，更容易掌握。

（一）變換研究對象進行模型轉換

一個物理問題中總會涉及到很多物體，解決問題時首先應明確研究對象，根據題目的要求選擇恰當的研究對象對于解題過程是否順利起著決定性的作用。有時研究對象選單個物體，有時選多個相互作用的物體組成的系統，還有時在同一個問題中須根據研究過程情景的變化靈活變換研究對象來解決問題。

（二）認真分析運動過程進行模型轉換

一個物理問題的解決，很重要的方面是物理過程和物理狀態的分析，只有深刻透析過程中的物理性質的分析，可以發現其所按照規律，以便選擇適當的物理公式，解決未知的參數和未知量，以達到解決問題的目的。

（三）恰當選擇參考系進行模型轉換可達事半功倍的效果

在研究物體的運動之前必須首先選定參考系，習慣上大家都選相對于地面不動的物體為參考系。但是，有時這樣選擇后卻使得問題特別復雜而難以解決。因此為了研究的方便，也可以視問題的具體情況巧妙的選用其他物體做參考系（如兩車的追及問題、同時開始的自由落體問題等），從而可簡化求解過程。

（四）利用等效思維轉換模型

物理等效思維意味著從同等效力的研究和學習的物理現象和物理過程的思維方式之間的事情，并分析物理問題和運用解決物理問題的思維形式。使用物理問題簡化為相當于實際復雜的物理現象和物理過程或物理問題的思維，并轉換為等效的理想和簡單的物理現象，物理過程或物理問題來研究和處理。

（五）適當運用逆向思維建立模型，化繁為簡，提高解題能力

逆向思維是一種與傳統的、邏輯的或群體的思維方向完全相反的思維方式。它善于從相反的角度、不同的立場、不同的側面去思考問題，當某一思路受阻時，能夠迅速轉移到另一思路，從而使問題得到順利的解決。例如，法拉第在“電能生磁”的基礎上進行逆向思維，萌發了“磁能否生電”的想法，終于發現電磁感應現象，導致了電氣化時代的誕生。

（六）對實際問題進行理想化處理建立模型，培養抽象思維能力

所謂理想化，就是把客體抽象成模型的思維方法。為了剖析復雜繁瑣的物理現象，物理學家通常取用簡單化的方法，對客體進行科學化、邏輯化的抽象。在制約著研究對象的眾多主次因素里，把作用小并且不影響本質的次要因素予以刪略，將事物抽象成只具有不影響原事物功能和特質的核心因素的模型。理想化是物理學中最重要的科學方法之一，中學物理教材幾乎全都是在理想化思想指導下取得的人類智慧的結晶。自由落體運動、拋體運動、勻強電場等等，無一不是理想化的過程或模型。

一般來說，在簡要說明物理估計問題過程中，所給的已知數據是有時很少，有時太多，這些已知量和未知量之間的關系還遠未明朗，往往夾雜一些干擾因素。因此，解決實際的物理問題時，我們必須先仔細分析預設的物理現象，對給定的物理情景進行深入的分析，抽象出物理過程的本質，明確解決的知識范圍的問題，澄清有關概念，適當的選擇物理定律，應用物理知識實現準確定位，從而達到解決問題的目的。