中學物理模型和研究方法

新的《物理課程標準》強調學生在學習物理知識過程中的方法和體驗，強調從單純的積累知識到探求知識的轉變，采用的教學方法不同，培養出的人在創造性和解決問題的能力方面自然會有差異，部分學生只是“觀察者”而不是“探究者”;只是“驗證者”而不是“實踐者”，生活中的直接經驗沒有成為學生掌握知識的基本環節，造成學生對教學認識活動的參與性不足，難以提高教學質量。學生在學校里不可能學到所有的知識，物理教師通過教學應該使學生認識物理學的基本思想、觀點和方法，能從中學會探索與解決科學問題的方法與途徑，中高考對這方面的考查正在逐漸加強，下面我來介紹一下中學物理的模型和研究方法。

物理學是研究物質運動規律的學科，而實際的物理現象和物理規律一般都是十分復雜的，涉及到許多因素。舍棄次要因素，抓住主要因素，從而突出 客觀事物的本質特征，這就叫構建物理模型。構建物理模型是一種研究問題的科學的思維方法。

中學物理模型一般可分三類：物質模型、狀態模型、過程模型。

1.物質模型。物質可分為實體物質和場物質。實體物質模型有力學中的質點、輕質彈簧、彈性小球等;電磁學中的點電荷、平行板電容器、密繞螺線管等;氣體性質中的理想氣體;光學中的薄透鏡、均勻介質等。場物質模型有如勻強電場、勻強磁場等都是空間場物質的模型。

2.狀態模型。研究流體力學時，流體的穩恒流動（狀態）;研究理想氣體時，氣體的平衡態;研究原子物理時，原子所處的基態和激發態等都屬于狀態模型。

3.過程模型。在研究質點運動時，如勻速直線運動、勻變速直線運動、勻速網周運動、平拋運動、簡諧運動等;在研究理想氣體狀態變化時，如等溫變化、等壓變化、等容變化、絕熱變化等;還有一些物理量的均勻變化的過程，如某勻強磁場的磁感應強度均勻減小、均勻增加等;非均勻變化的過程，如汽車突然停止都屬于理想的過程模型。

模型是對實際問題的抽象，每一個模型的建立都有一定的條件和使用范圍，學生在學習和應用模型解決問題時，要弄清模型的使用條件，要根據實際情況加以運用。比如一列火車的運行，能否看成質點，就要根據質點的概念和要研究的火車運動情況而定，在研究火車過橋所需時間時，火車的長度相對于橋長來說，一般不能忽略，所以不能看成質點;在研究火車從北京到上海所需的時間時，火車的長度遠遠小于北京到上海的距離，可忽略不記，因此火車就可以看成為質點。

中學物理所涉及到的研究方法較多，下面我介紹一些常見的研究方法。

類比法：由兩個對象的某些相同或相似的性質，推斷它們在其他性質上也有可能相同或相似的一種推理方法。類比得到的結論不一定正確。要確認其結論的正確性，須經過實驗論證。

如：水管中水流的形成是由于水管兩端存在水壓差，而水泵的作用是不斷地將水從乙抽到甲，使水管中的水維持一定的水壓差（如圖a）。電路中電流的形成是由于電路兩端存在著電壓，電源的作用就是維持正負極間有一定的電壓（如圖b圖表略）。

等效法：是將一個物理量、一個物理狀態或過程，用另一個相應的物理量、物理狀態或過程來替代，得到同樣的結果，結論不變。利用等效法來研究問題，可以使問題簡單、形象化。如：研究物體受幾個力作用時，如果一個力的作用效果跟這幾個力的作用效果相同，我們就用一個力來代替這幾個力。如：研究兩個電阻Rl和R2組成的串聯（或并聯）電路時，通過實驗和推導，發現電阻R單獨在電路中產生的效果與電阻Rl、R2串聯（或并聯）在同一電路中產生的效果相同，則電阻R是兩個電阻Rl和R2的等效電阻。

轉換法：物理學中對于一些看不見、摸不著的現象或不易直接測量的物理量，通常用一些非常直觀的現象去認識，可以通過研究另外相關的物理現象來觀察或用易測量的物理量間接測量，這種研究問題的方法叫轉換法。如：分子看不見、摸不著，不好研究，可以研究墨水的擴散現象去認識分子的運動;用燈泡是否發光或用小磁針在電路旁是否偏轉檢查電路中是否有電流;布朗在研究分子無規則運動時，利用花粉的無規則運動證明分子的無規則運動。

推理法：是在觀察實驗的基礎上，忽略次要因素，進行合理的推想，得出結論，從而概括出理論，達到認識事物本質的目的。如：牛頓的第一定律，不能用實驗驗證（在地球上不受外力的物體不存在），它就是在實驗的基礎上加以推理而概括出來的。

控制變量法：在研究三個物理量之間的關系時，先使其中的一個量保持不變，研究其余兩個量之間的變化關系，再使另外一個量保持不變，研究剩下的兩個量之間的變化關系，最后得到三個量之間的變化關系。如：歐姆定律實驗，先使電阻不變，研究電流與電壓的關系，再使電壓不變，研究電流與電阻的關系，最后得到電流、電壓、電阻三者之間的關系。再如驗證牛頓第二定律的實驗中，先使質量不變，研究力和加速度的關系，再使力不變，研究質量和加速度的關系，最后得到力，質量和加速度三者之間的關系。

歸納法：通過對各種物理現象的觀察、思考、分析，培養學生的總結概括知識的能力。如：通過大量發聲現象的歸納，發現發聲的物體都在振動。通過大量物體間推、拉、提、壓等作用的歸納，得出力是物體對物體的作用。

建立理想模型法：用理想化的方法將實際中的事物進行簡化，便可得到一系列的物理模型。研究光時，引入“光線”的概念;研究磁場問題，引入“磁感線”的概念。

圖像法：通過圖像來研究某些物理現象的規律或一些物理現象的區別。如：通過S-T和V-T圖像研究勻變速直線運動的變化規律，通過晶體熔化的圖像研究晶體熔化過程中吸熱與溫度變化的規律，也可通過勻速直線運動和變速直線運動的路程與時間圖像的不同來研究它的區別;通過晶體與非晶體的熔解圖像的不同來研究它們不同熔化規律的區別。