構建模型在物理解題中的應用

宋鳳川

摘 要： 所謂物理模型就是人們為了研究物理問題的方便和探討事物的本質，通過對各種實和現象的分析、綜合、比較、分類等思維過程，根據研究對象和問題的特點，抓主要因素，忽略次要因素，對研究對象所進行的一種簡化的描述和模擬。構建模型，應用規律，是解題的關鍵，合理的物理模型是解決物理問題的一種行之有效的方法。

關鍵詞： 物理模型 創造性思維 分解速度

應用模型物理模型是一種理想化的物理形態，是物理知識的直觀顯現。構建模型就是把實際問題進行簡化，簡化為理論上的東西，比如在教運動學的時候，不研究汽車本身，你就可以把汽車簡化為一個點的運動的模型，比如衛星運動，你有時候可以簡化成圓周運動等，就是把實踐問題中的一些不必要的東西簡化，留下與你要求的東西相關的東西，比如研究杠桿，題目是用鋼板翹你可以簡化為一根桿等。通常所說的明確物理過程，把過程轉化為一幅清晰的物理圖景，就是為了構建物理模型，針對模型的特征，利用相應的規律解決。當我們說“這是哪一類問題時”，實際上就隱含著這是“屬于哪一類物理模型”的意思。

建立物理模型（簡稱“建模”），就是將實際問題中的具體的、表面紛繁復雜的研究對象或物理過程，去除表面現象、深入本質，將其歸納、轉化為簡單的我們熟知的一些具有代表性的、理想化的模型，這樣就可以順利地利用我們已有的知識、方法，處理這一實際的問題。例如，我們要研究某一列動車組從南京直達上海用了多少時間，由于動車的長度跟滬寧之間的距離相比，可以忽略不計；動車各部分的運動差異，也對我們研究的問題沒有影響，我們可以把這列動車看做是一個理想化的模型——質點；而動車沿途的運動過程雖然很復雜，但一般可以簡化為加速、勻速、減速的理想過程，這樣研究動車運動問題就簡單、方便了。

質點是最常見的力學模型，點電荷是研究靜電場的模型、點光源是光學問題的模型；理想氣體是熱學的物理模型，彈簧振子、單擺是簡諧運動的模型，盧瑟福的原子結構是行星模型。具體處理物理問題時，可以根據特征構建相應模型。例如彈簧模型、斜面模型、反沖模型、豎直面圓周運動模型、塊板模型、活塞氣缸模型、線圈磁場模型等。模型特征越明顯，解決時就越容易。因此，抓特征是構建模型的關鍵，而構建模型的過程、類比、等效等方法十分有用，在高中物理總復習階段，我有意識地將所面對的問題構建成相應的模型，收到較好的效果。

在理解概念的基礎上，物理解題要經過把實際問題模型化，最后再還原的過程。之所以要模型化，是因為客觀世界中物體間的相互作用相當復雜，我們不可能面面俱到。因此，在分析和研究物理現象時要忽略物理過程中的次要因素，抓住主要矛盾進行抽象，得出物理模型——理想模型。目前理想模型的分類，說法不一，我認為理想模型主要有五種類型：一是實體模型：如質點、剛體、理想氣體、點電荷、點光源、光線等。二是介質模型，如輕彈簧、輕繩、輕桿、機械波等。三是條件模型，如光滑，阻力不計等。四是系統模型，如絕熱系統、動量守恒系統、簡諧運動系統等。五是（運動）過程模型，如勻速直線運動、勻變速直線運動、平拋運動、豎直上拋運動、斜拋運動、爆炸、彈性碰撞、完全非彈性碰撞等。

理想模型是客觀世界找不到或很難找到，但又非常有用的模型。正確運用理想模型，可以使復雜問題的解決過程大大簡化，并降低難度。但是理想模型是在一定條件下抽象的，所以一定要注意適用范圍。例如，在研究地球繞太陽公轉時可把地球視為質點，而研究地區的自轉時就不能把它看做質點。又如，實際氣體在溫度不太低、壓強不太大的情況下才可以視為理想氣體，超出這個范圍，就不能再把實際氣體看成理想氣體。對系統模型也是一樣，比如絕熱系統，由于現實中根本不存在絕熱系統，只有當氣體狀態變化很快，系統來不及和外界發生大量熱交換的情況下才可以視為絕熱系統。同樣，對過程模型，也要注意其適用條件和范圍，比如物體在地面附近水平拋出可視為平拋運動，離地面太遠時重力是一個變量就不能看成平拋運動。

準確把握物理模型的特點，對我們正確解題時十分有幫助的。比如，輕繩和輕桿連接著物體在豎直平面圓周運動，我們如果知道桿既能拉又能壓，而繩只能提供拉力這些特點，在最高點的最小速度就很容易判斷。在解決復雜得多的問題時，可以把分解成許多小的過程模型，并且注意速度是前后兩個過程的銜接量，使一個復雜問題變得非常清晰、簡單。那么，何為物理建模思想？物理建模思想就是我們常常在碰到問題的時候，不是直接構建概念去處理，而是先放開與之無關的因素或者是影響很小的次要因素，抓住主要因素，透過問題的表象澄清事物的本質，利用理想化的概念模型構建解決和處理實際問題的一種思維體系的思想，諸如質點、單擺、輕桿、理想氣體、點電荷等。我們在理解這些概念時，很難把握其實質，而構建概念模型思想則是一種高效解決問題的思維模式。正確物理模型思想構建最大的益處是對我們的思維發展、處理問題的能力及我們的健康成長和今后的發展占據重要的地位與決定性的作用。

那么，如何培養學生構建物理建模思想呢？培養“物理建模思想”是一個創造性過程，對物理模型的認識和理解是一個創造性的過程、一個培養創新思維能力的過程。可見引導我們真正認識和理解甚至構建“物理模型”的思想，是培養創造性思維和創新能力的必要的有效的途徑。從日常學習體會到，培養“物理建模思想”可以從以下的漸進過程進行。物理建模思想構建第一步：利用實體映射影像構建模型存儲。物理中的某些客觀實體，如靜放在水平桌面上的粉筆盒，引導我們觀察它的各個點的運動情況和整個粉筆盒的運動情況。物理建模思想構建第二步：利用對比重主忽次構建模型存儲。物理建模思想構建第三步：知識升化狀態-過程構建模型存儲。物理建模思想構建第四步：知識類化理想實驗構建模型存儲。“物理建模思想構建”是非常重要的，更重要的是引導我們領悟這種思索過程，感受這種思想的建構過程。

總之，對概念和模型的掌握，是學習物理解題不可或缺的重要環節，只有真正理解和掌握物理概念和模型，才能在物理解題中統攬全局，成為物理解題的行家里手。

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