物理理想模型的建立與中學物理教學的探究

（仙游華僑中學，福建莆田351200）

物理理想模型的建立與中學物理教學的探究

陳薇薇

（仙游華僑中學，福建莆田351200）

在物理學中，為探究物理現象、得出物理概念，經常利用理想化的模型用于探求物理法則。物理理想模型的建立需遵循一定原則，并且符合一定的要求。同時理想模型的特點，對物理學、社會生活、科學技術等方面的發展具有非常重要的意義。而模型在中學物理課堂也得到一定的運用，通過建立理想化模型方法有利于學生處理現實矛盾，排除自身疑惑。從中學物理教學模型化的分析與中學物理教學的一些實例討論，我們可以得出理想模型對中學物理教學效果的促進表現。

理想模型建立；物理理想模型法；中學物理教學應用

一、引言

為探尋物理情境、總結規律常采用理想模型建立方法，即利用理想化方法將實際矛盾問題變簡，抓住本質排除非本質特征以探索物理情境。實際教學上理想模型的應用較少，學生也普遍缺乏模型概念，不清楚模型建立的思想、方法，不能充分發揮理想模型在中學物理教學上的作用。

二、物理理想模型建立的原則和要求

理想模型具備一定的創立流程，了解其具體建立要求較為必要，這對深入分析理想模型具有相當重要的意義。

（一）物理理想模型建立的原則

在理想模型的建立上，存在一定的建立原則，主要有三點。一是主要因素與次要因素的選擇，二是具體問題上應具體分析，三是對建立后的模型進行檢驗。

1.抓住主要因素，忽略次要因素

影響事物問題的因素很多，其中有本質影響也有非本質的作用。有些因素影響極大，并不能忽略；相反有些因素的影響不明顯，忽略之后對問題的研究沒有本質上影響。面對復雜問題，就需要確定研究對象，抓住要點，即“抓住主要因素，忽略次要因素”這一建立原則對問題進行研究，簡化問題。

例如分析一物體在水平面上的運動狀態。首先明確所研究的對象；其次分析主要因素和次要因素：若物體上所有的點運動情況是相同，則這時候物體的運動就與物體的形狀、大小無關，只與物體質量相關。所以此時抓住質量，排除形狀、大小作用影響，就能夠把這個物體當作質點進行分析，簡單化問題從而解決矛盾。

又例如彈簧振子是忽略了次要因素（摩擦力等阻力及彈簧質量等因素）的影響，又將金屬小球看做質點，抓住機械能完全守恒這一主要因素，建立而成的用于研究簡諧振動規律的理想模型。彈簧振子將問題去復雜，研究起來較為簡單、方便。

2.具體問題，具體分析

建立理想模型時還需要具體問題具體分析。研究物體運動，若物體可看做質點，則還需分析其處于什么情境下的運動。

例如，質點僅在重力作用下既可做自由落體運動，還可做拋體運動等。［1］不一樣情況下物體所受力存在差別，運動情況也有差異。或者如果物體的形狀、大小對運動有影響。例如物體做轉動運動，這時候就需要考慮剛體運動，而不是單純的看做質點運動。所以面對實際問題時，模型建立還需具體問題具體分析。

又例如建立理想氣體模型，這時氣體中的分子之間接近于沒有相互吸引力，分子之間發生的碰撞幾乎不造成動能損失，由此忽略極小影響因素而建立起模型。此時模型對探尋情境有簡化功能。但在實際生活中氣體狀態改變較為明顯地偏離氣態方程，這時候需要對理想氣態方程進行修正，所以解決客觀問題，建立理想模型還應該遵循具體問題具體分析。

3.對模型進行檢驗

建立完模型，應對其進一步地進行檢驗。結合理論判斷理想模型是否具有合理存在性，分析檢驗理想模型的準確度。根據分析的結果，對其進行進一步的修改，從而使理想模型趨于完善。理想模型的檢驗對于模型的建立是必要的，這一原則保障了建立的理想模型的科學性，說明了模型建立的嚴謹性。

例如在a粒子散射實驗中，盧瑟福察覺物理實驗現象并不可以由以前的原子模型理論進行推導解釋。而如果把原子看作一個被縮小的太陽系，電子像行星繞太陽旋轉那樣圍繞著原子核旋轉這樣一種模型，則能夠成功地解釋a粒子的大角度散射問題，故而誕生了盧瑟福的原子核式結構模型，為人們進一步認識微觀世界邁出了極其重要的一步。［2］所以模型建立過程，對建立的模型需要進行實驗檢驗其合理性，確保模型的科學性。

（二）物理理想模型建立的要求

理想模型的建立并不是憑空想象的，它需要一定的依據支撐，具有一定的條件、要求。

1.要對問題進行分析

要建立理想模型，首先應對其問題分析，明確問題的本質，才能舍棄不必要因素，從而建立符合問題的理想模型。

2.需要一定的理論支撐

理想模型建立過程中，不能違背本質的物理基礎。而是根據一定物理本質，進行簡化處理。

3.需要對模型進行驗證

建立模型后，有時還需要對其進行實驗驗證或用于實際操作中。證明其準確性，是否可用及適用的條件。

三、物理理想模型建立的特點和意義

模型的建立因遵循一定原則要求，所以其具有一定的特點。而理想模型的建立也對物理學發展、社會科技的提高產生了重要積極的影響，具有重要意義。

（一）物理理想模型建立的特點

無論是建立在對象、條件還是過程的理想化模型，對于問題及其普遍規律的研究都具有一定的意義。物理理想模型的建立具有一定近似性、局限性和實驗性。

1.近似性

由于理想模型的建立是將事物問題理想化，所以具有近似性。例如力學上研究的只有一定質量沒有一定形狀和大小的質點，在任何外力作用下都不能發生形變的剛體。［3］它們都是將其非本質因素排除，考慮本質因素影響近似概括建立而成，其過程具有近似性。

2.局限性

由于理想模型是根據一定條件要求而建立的模型，所以建立過程具有一定的局限性。例如，質點這一模型只適合用在物體的大小與形狀所起的影響較小或者影響可以忽略不計的情況。由于過程的限制性，當物體形狀大小對問題探究具有較大影響不能被排除時（例如研究物體轉動），就不能采用質點模型，而應再進行分析以找出其它更為恰當的模型，所以理想模型建立具有局限性。

3.實驗性

理想模型建立需要適當的理論支持，要運用普遍的物理基本法則進行分析探究，但模型創立有時還會采取通過實驗途徑進行。例如а粒子散射實驗建立了原子核式結構模型；光電效應證實了光子的粒子性模型。

（二）物理理想模型建立的意義

理想模型的建立在實際問題解決中具有巨大影響，分別體現在概念的形成、問題探究及教學效果等方面的價值意義。

1.理想模型是形成物理概念、建立物理規律的基礎［4］

物理學的存在是為尋求實際生活中廣泛存在的各類根本運動形態及它們之間彼此的影響，對事物運動的這些影響進行說明，把物理學的嚴謹結構呈現出來，使人們了解世界，改變世界。為達到這樣的目的，必須得表達出物體的主要特征及其主要變化規律，由此為基礎而建立起統一的、科學的、嚴謹的物理學基本體系。

因為客觀世界物質的雜亂、繁復、豐富性，所以如果一概根據物理事物原來的表象分析探究，問題則會變更加困難化。沒有理想模型很多物理問題將呈現棘手、復雜的狀況，很難進行下去。所以我們說理想模型是物理概念形成以及物理規律建立的基礎，它的存在非常重要。

2.理想模型為科學技術發展做出貢獻

在物理學里，現實的具體研究事物雖然直觀，但因為過程的復雜性經常會掩蓋本質特性，所以我們通過理想模型建立進行分析。根據所揭示的性質及規律舍棄研究對象的其它大量的次要材料，使所探究的問題顯示出主要特征。這就更加能夠發揮科學的邏輯思維能力，進而突破社會的科學技術現狀，指導新的物理探究方向，預見新的物理現象、規律。理想模型對物理學和現實生活所起的重要作用是巨大的，它為深入的科學研究做出了貢獻，使物理研究更加地規范化與科學化，進一步推動了社會的發展。

3.理想模型促進提升物理教學效果

理想模型給學生展示了基礎的物理知識、規律，培養其思維能力，促進提升了教學上的效果。由模型入手使得物理定律更簡明了，便于掌握和理解概念，促進物理教學，極大地提高了學生學習物理的積極性。教師恰當地運用理想模型建立思想進行教學，可以讓學生學會從事物的眾多因素影響中把握主要因素，進而解決實際復雜問題。

四、物理理想模型法在中學物理教學中的應用

理想模型的建立對于物理教學有著重要作用，特別是對于中學物理教學有著重要的基礎作用。模型的建立為學生學習該學科夯實了基礎，為其今后深入學習、探究問題提供了科學思想。可見在中學物理教學中，學生學會物理理想模型的建立思想、掌握模型建立的方法對其深入學習物理學科有著重要的意義，同時對于提高中學物理教學質量也有著巨大的作用。所以在中學物理教學上應注重物理理想模型的應用。

（一）物理理想模型教學法

在中學物理教學中，不能只局限于知識的傳授，單純讓學生記住規律進行計算，而應滲透物理理想模型的建立思想，教授學生用模型理想化的方法思考問題。教師通過建立理想模型方式進行課堂講課，讓學生獲取學識、提升才能，并能夠受益。

理想模型教學法是為研究問題的本質過程，排除非本質作用，將復雜問題簡單化，進而形成抽象的理想化模型的教學方式。例如教學初中物理中研究光的規律時，采用光線這一具有方向的實線理想模型來代表光，通過這一模型進行物理規律探究，達到將問題形象化的目的，明顯減少了原來問題的復雜性。

而在實際問題中，物理現象和過程一般都比較復雜，涉及到多種因素影響，這時采用物理理想模型方法可起到簡化問題的作用。一般建立理想模型方法解題分為確定研究的對象、明確主要影響因素、排除次要因素、分析物理現象達到發現物理規律的幾個過程。在教學過程中，運用理想模型教學法能夠幫助學生更好地解決較為復雜的問題，令學生更加明確影響事物的主要因素，有利于學生有效地進行學習。

（二）中學物理教學模型化

根據模型研究建立特點，物理理想模型教學充分有利于實際復雜問題的解決。在中學物理教學中可運用物理理想模型教學思想，使中學物理教學模型化。

1.抽象性與形象性統一

物理教學體現了抽象性與形象性統一，表現了教學模型化。

例如質點模型的建立主要利用了抽象的方法，用一個沒有大小、形狀，只有質量的幾何點(具有抽象性)來代替實際的物體(具有形象性)，是抽象性與形象性的統一體。

同樣理想模型建立中有些則用看得見的幾何線條描繪抽象的概念、規律，例如用磁感線（形象性）表示不可見的磁場（抽象性），也是兩者的統一。

所以由模型建立的抽象性與形象性表明了中學物理教學模型化的特點。

2.近似性與科學性統一

理想模型設立是通過討論眾多影響成分，把握本質成分舍棄非本質成分，具有近似性。例如平拋運動、自由落體運動等模型，都是在省略空氣阻力作用根本上，近似創立的理想化模型。

物理問題研究中通過實驗證明理想模型準確與否，說明了其模型建立擁有科學性。例如盧瑟福的原子核式結構模型的提出，都是建立在對實驗事實分析的基礎上，其具有嚴謹的科學性。

物理教學過程教授學生近似性與科學性的思想，體現兩者的統一，體現了教學模型化。

3.假定性與實驗性統一

理想模型源自現實，又超過現實，是研究過程想象力與創造性的結晶，因此理想模型建立前具備假定性。同時建立的模型正確性又要靠實驗來檢驗，又反映了實驗性。例如玻爾針對盧瑟福原子模型，假定其與經典理論相同來進行實驗，發現其與經典電磁理論的矛盾，從而建立了玻爾原子模型。

教學過程也是通過假定進行分析，運用實驗進行驗證，體現了教學模型化。

（三）中學物理教學的實例

1.實例1

題目：一跳水運動員從離水面10米高的平臺向上躍起，舉雙臂直體離開臺面，此時其重心位于從手到腳全長的中點，躍起后重心升高0.45米達到最高點，落水時身體豎直，手先入水（在此過程中運動員水平方向的運動忽略不計）,從離開跳臺到手觸水面，他可用于完成空中動作的時間是秒（g取10m/s2）。

分析：首先確定研究對象,即運動員；其次由題目可以看到運動員從手到腳的全長未知，若考慮運動員的整體形狀、大小變化，則情況將變得復雜。由于運動員從臺面跳起到最高點過程中我們只知道重心升高的長度，卻不知道具體手到腳的全長以及運動身體形狀的情況下造成了問題的復雜度。

這時若假定手到腳的全長為一固定值，不考慮形狀變化時（將人看作一形狀不變的固定有限長度的直線），則如圖1所示。可見全長為固定值，重心位于中心時，從最高點到手剛觸到水面時，重心位置高度變化了10.45米，也就是說明運動員跳水過程可以不計手到腳的全長，只考慮重心的位置變化來分析此問題。

若不考慮全長，考慮形狀變化分析問題，可以看到從臺面到最高點形狀對于運動員運動情況并無影響，同樣從最高點之后往下跳到手接觸水面，這個過程中形狀有無變化對其運動情況也沒有影響。運動員在整個過程中的動作的伸展、擺臂等動作是次要因素，對題目幾乎無影響，可以忽略。由此可知在這個問題中，形狀的變化并不影響運動過程分析，可以排除這個次要因素。

綜上可以看到，運動員的運動過程可以忽略手到腳的全長（大?。┘靶螤钭兓?，只考慮重心的變化（重心在過程中可能也會發生細微的變化，屬于次要因素，影響忽略），也就是可以排除未知、無關項及次要因素的干擾，將運動員看作是一質點，質點的位置在重心處。這樣就將問題抽象為質點的運動，簡化了問題，方便了問題解決，進一步培養了學生的辯證思維，分別從不同方面進行分析。

由此，運動員的跳水運動就為一質點向上豎直上拋運動與自由落體運動，此過程又忽略了空氣等阻力的影響（屬于次要影響因素，對運動過程分析影響不大），只考慮受重力的作用（即考慮主要因素）建立而成。

可見在這個題目分析中建立了兩個理想模型：一個是質點，另一個是將運動過程看作豎直上拋與自由落體運動。這樣，問題解決的方向就明確了，也提供給學生新的學習分析思維方法。通過理想模型的建立也使物理實際復雜問題得到了明顯的簡化，引起學生興趣，調動學生積極學習。

從上可見，理想模型教學幫助學生分別從不同方面研究問題，傳輸給學生辯證的思維；同時從分析過程逐步地進行思考，也有利于引導學生形成自己科學的學習方法。所以運用物理理想模型思想進行教學對于中學生學習物理學科是必要的。

2.實例2

題目：如圖所示，兩種不同的正離子（不計重力）垂直射入偏轉電場，從偏轉電場射出時具有相同的偏轉距離y（偏轉電壓U保持不變），則兩種離子進入偏轉電場前只要滿足。

分析：首先確定研究對象為正離子，其次分析其影響因素偏轉電場。在中學物理中常探究帶電粒子在電場中的偏轉問題，一般都把電場條件理想化，即一般探究的是勻強電場中的偏轉問題。由此建立起了一種理想化的模型——勻強電場中帶電粒子的偏轉模型。題目中偏轉電壓保持不變，說明正是理想化模型。該模型通過將電場理想化，以便于探究帶點粒子在電場中的運動規律。而理想化模型的物理規律可通過類比平拋運動規律來進行，幫助學生進一步對平拋過程的掌握。此題的對模型的剖析也幫助了學生對該題建立的電場偏轉模型問題的理解與記憶。

通過模型教學進行分析該題得：不計重力則該模型僅受電場力，由于電場恒定、離子帶正電，所以電場力的方向與電場方向一致，電場大小F=。所以離子的加速度為a=。運用類平拋規律，水平方向：L=v0t；豎直方向：；所以，偏轉距離：

由此學生便可得出結論：兩種離子進入偏轉電場前只要滿足比荷和速度都相同，其偏轉距離相同，得出答案。

通過建立理想模型法，使學生得到并進一步掌握物理規律，理解了物理過程。同時通過對平拋運動的回顧，水平、豎直方向運動的分析，進一步鞏固了學生的知識體系。而理想模型探究過程的科學性也有利于學生形成科學的態度，進而建立起科學的物理知識體系。

物理學中的理想模型是使問題研究簡化的一種模型，能使學生學會確定研究目標，找出主要矛盾，忽略次要矛盾，確定模型來分析問題的辦法，幫助學生得出更符合實際的規律。通過建立理想模型法，學生的知識體系將更加完整，思維更具有辯證性。

［1］任海權.對初中物理教學的思考［J］.大觀周刊,2012(13）.

［2］王剛志.大學物理中的理想化模型［J］.中國輕工教育, 2004(4).

［3］宋鳳忠.物理學研究中的理想化方法［J］.濮陽教育學院學報,1999(3).

［4］蘇彥斌.淺析物理模型在初中物理的作用［J］.陜西教育, 2011(11).

（責任編輯：詹國榮）