例談物理模型在中學(xué)物理教學(xué)中的運用

焦陽天

在中學(xué)物理教學(xué)過程中，學(xué)生對物理概念、物理規(guī)律和物理公式記得很熟，但在具體運用時，卻整理不清楚解題的思路，感覺到無從下手。究其原因：主要是不會把一個實際的復(fù)雜的問題簡化成能反映問題本質(zhì)的簡單的物理模型。物理模型在對物理客體進(jìn)行分析和研究時往往能收到很好的效果。那么在學(xué)習(xí)物理的過程中怎樣建立一個物理模型呢？它是不是一個很復(fù)雜的過程呢？

其實跟物理學(xué)發(fā)展過程中一樣，在物理學(xué)習(xí)中建立物理模型是將研究的物理對象或物理過程通過抽象、理想化、簡化、類比等形成物理模型。通過物理現(xiàn)象或物理過程進(jìn)行去粗取精、去偽存真的處理，找出反映物理現(xiàn)象或物理過程的內(nèi)在本質(zhì)及內(nèi)在規(guī)律，使問題的處理大為簡化。下面就具體分析怎樣在中學(xué)物理教學(xué)中構(gòu)建物理模型。

一、理解概念規(guī)律，構(gòu)建物理模型

物理模型是物理規(guī)律和物理理論賴以建立的基礎(chǔ)，物理模型方法是物理學(xué)家研究自然界最基本的方法。理解掌握物理概念和規(guī)律，抓住問題的本質(zhì)，便可以建立符合實際的物理模型。

例1：冬天我們哈氣，嘴里會冒“白氣”，夏天打開冰箱門，我們也常看到“白氣”，這是為什么呢？很明顯，這里物理研究對象是“白氣”，考查對物態(tài)變化這一規(guī)律的理解，抓住“白氣”的實質(zhì)是極小的液態(tài)小水滴，前者是嘴里水蒸氣，后者是空氣中的水蒸氣遇冷液化形成。

例2：2012年5月，日本科學(xué)家開發(fā)出制作單層硅分子薄膜技術(shù)，如圖所示：在硅板表面覆蓋陶瓷薄層，持續(xù)加熱一段時間后，硅板中的硅分子居然能穿透陶瓷薄層從而形成單層硅分子薄膜。加熱使得硅分子穿透陶瓷薄膜，這說明了什么？此題背景是當(dāng)前新材料領(lǐng)域的科技知識，對初中同學(xué)而言較陌生，但并不難想出此時結(jié)合“分子動理論”模型，找到問題答案，說明分子之間有空隙，分子在做永不停息的運動。

二、通過聯(lián)想、類比、構(gòu)建物理模型

在中學(xué)物理中有許多的物理模型，關(guān)于它們的題目不少，但有些學(xué)生在遇到這類問題時，往往發(fā)現(xiàn)不了它們原有的模型，陷入解題的誤區(qū)中。遇到這類問題，我們應(yīng)該從復(fù)雜的物理現(xiàn)象中抓住問題本質(zhì)，用聯(lián)想和類比的方法，將題中所給的情景與熟悉的相比較建立其模型。

例3：人造衛(wèi)星沿橢圓軌道繞地球運行，衛(wèi)星從遠(yuǎn)地點向近地點運動的過程中，動能、勢能、機(jī)械能如何變化？如題，月球繞地球公轉(zhuǎn)過程中，若學(xué)生沒有很多的地理知識，根本不知道月球在遠(yuǎn)地點和近地點時速度變化的情況，很難直接給出結(jié)果。這時我們可以通過聯(lián)想、類比，結(jié)合單擺模型，梳理問題的實質(zhì)是動能和勢能間的相互轉(zhuǎn)化，在沒有阻力情況的下，機(jī)械能總量保持不變，衛(wèi)星在遠(yuǎn)地點勢能最大，動能最小，正如單擺模型中小球在最高點時重力勢能最大，動能最小。

再如學(xué)習(xí)電流和電壓時，通過聯(lián)想和類比，把電壓看成水壓，把電流看成水流，正是有了水壓，因此才產(chǎn)生了水流，水壓越大水流也越大，水流流過水輪機(jī)使水輪機(jī)轉(zhuǎn)動。電學(xué)中，電壓正是產(chǎn)生電流的原因，電阻一定時，電壓越大，電流也越大，電流經(jīng)過小燈泡，小燈泡就會發(fā)光。建立和正確使用物理模型可以提高學(xué)生理解和接受新知識的能力。

可見，無論是在利用物理模型解決實際問題還是在學(xué)習(xí)物理概念時，都可以采取聯(lián)想、類比的思維，建立熟悉的相似的模型，運用所學(xué)知識解決實際問題，只有這樣才能在解決問題時得心應(yīng)手，游刃有余。

三、發(fā)掘有用信息、抓住主要矛盾，構(gòu)建物理模型

例4：如圖所示，形狀規(guī)則、密度均勻的木板AB放在水平桌面上，OA=2OB，當(dāng)B端掛30N的重物G時，木板A端剛剛開始翹起，木板重為多少？顯然，在解決本題時，應(yīng)構(gòu)建杠桿平衡條件的基礎(chǔ)物理模型，支點和力臂不難尋找，但僅僅這樣還是不夠，若把重物對木板的拉力看成是動力，則阻力什么呢？此時我們還需要把形狀規(guī)則、密度均勻的木板構(gòu)建成一個重力集中在木板AB中點的一個輕質(zhì)杠桿模型，然后利用杠桿平衡條件解決問題。

對于同一研究對象，使用合適的物理模型來解決，可以使問題的處理過程大為簡化，但同一研究對象在不同研究問題時，還應(yīng)注意條件的變化。例如在研究地球繞太陽公轉(zhuǎn)的時候，由于地球的大小相對于太陽到地球的距離要小得多，可以把地球看成質(zhì)點，研究地球公轉(zhuǎn)速度、周期等問題，突出它所處的位置和質(zhì)量特性。但在研究地球自轉(zhuǎn)時，地球的形狀、大小就不可以忽略。

由上面的幾個例子看來，在教學(xué)中物理模型的建立并非是一件復(fù)雜的事，只要我們能熟練地運用我們所學(xué)的基礎(chǔ)知識和基本技能，研究并提煉題目所給的背景材料，抓住其中的主要因素，忽略次要因素，把復(fù)雜的問題進(jìn)行必要的抽象、聯(lián)想、類比，就可以將問題轉(zhuǎn)化為合理的、熟悉的、理想化的物理模型。

當(dāng)然，正如人們發(fā)現(xiàn)原子“原子核式結(jié)構(gòu)”模型歷程一樣，隨著人們對自然界認(rèn)識的不斷提高，物理模型相應(yīng)地由初級向高級不斷地發(fā)展和完善。在中學(xué)物理教學(xué)過程中，教師要正確運用物理模型，充分發(fā)揮物理模型在教學(xué)中的作用，才能提高教學(xué)效率，實施素質(zhì)教育。