物理模型教學(xué)與思維能力培養(yǎng)探究

李喬中

【摘要】本文從物理模型的種類、特性、建立和應(yīng)用上闡述了物理模型教學(xué)方法，旨在加強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理概念、規(guī)律的理解，培養(yǎng)分析解決物理問(wèn)題的能力。

【關(guān)鍵詞】物理模型教學(xué)；理想化；思維能力

所謂物理模型就是對(duì)所研究的對(duì)象和過(guò)程摒棄無(wú)關(guān)因素，略去次要因素后，所建立起來(lái)的能反映事物本質(zhì)特征的抽象模型。加強(qiáng)物理模型教學(xué)，讓學(xué)生了解物理模型的意義、特點(diǎn)及建立過(guò)程，并運(yùn)用物理模型解決實(shí)際問(wèn)題，這是培養(yǎng)物理思維能力的一個(gè)重要途徑。

一、物理模型的種類

物理模型分類有不同的標(biāo)準(zhǔn)。以研究的目的為標(biāo)準(zhǔn)，物理模型可分為描述對(duì)象、狀態(tài)和過(guò)程模型。描述對(duì)象模型有質(zhì)點(diǎn)、單擺、理想氣體、點(diǎn)電荷、勻強(qiáng)電場(chǎng)、勻強(qiáng)磁場(chǎng)和點(diǎn)光源等；狀態(tài)和過(guò)程模型有勻速運(yùn)動(dòng)、彈性碰撞和簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)等。以作用效果為標(biāo)準(zhǔn)，可分為作用等效模型（如兩個(gè)分力之合力），過(guò)程等效模型（如平拋運(yùn)動(dòng)與水平方向勻速運(yùn)動(dòng)和豎直方向自由落體運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)等效）。利用作用等效模型可幫助理解概念，培養(yǎng)逆向思維能力；利用過(guò)程等效模型可培養(yǎng)分析解決問(wèn)題和“躍遷思維”能力。

二、物理模型的特性

物理模型一般應(yīng)具有以下三個(gè)特性：（1）簡(jiǎn)化性。把問(wèn)題轉(zhuǎn)化為理想物理模型，會(huì)使繁雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，隱晦問(wèn)題明朗化。（2）代表性。通過(guò)對(duì)事物類化的過(guò)程，可使物理模型成為具有同樣屬性事物的代表。（3）變化性。把本來(lái)就具有多重性的事物，轉(zhuǎn)化成不同的物理模型。

三、物理模型的建立

物理模型是通過(guò)抽象概括建立的。比如質(zhì)點(diǎn)是一個(gè)具有質(zhì)量的幾何點(diǎn)，由于很多力學(xué)問(wèn)題中物體的大小和形狀的影響可以不計(jì)，為了突出物體的質(zhì)量這個(gè)主要因素，經(jīng)過(guò)物理抽象建立質(zhì)點(diǎn)模型。建立物理模型的原則：（1）根據(jù)所研究問(wèn)題的需要和可能，突出研究對(duì)象的主要因素，忽略次要因素，將研究對(duì)象理想化。例如理想氣體模型的建立，就是突出了氣體實(shí)驗(yàn)定律中參量之間的關(guān)系，而忽略了對(duì)這些參量關(guān)系的約束條件，認(rèn)為這些參量之間的關(guān)系在任何條件下都是適用的，這樣就把實(shí)際氣體抽象為理想氣體，好似把物體抽象為質(zhì)點(diǎn)。（2）在模型的基礎(chǔ)上，能夠建立該領(lǐng)域的知識(shí)體系，如果一個(gè)模型不能提供一個(gè)知識(shí)體系，這個(gè)模型就沒(méi)有生命力，就沒(méi)有存在的價(jià)值。如理想氣體模型的建立，與之相應(yīng)的建立了氣體分子的質(zhì)量模型，從而形成了氣體分子運(yùn)動(dòng)論這個(gè)知識(shí)體系。

建立理想化物理模型是一種物理的思維模式，也是物理研究的重要方法。物理學(xué)的各部分知識(shí)體系幾乎都是建立在一些模型的基礎(chǔ)上。讓學(xué)生了解物理模型的意義和建立過(guò)程，這是培養(yǎng)物理思維能力的重要途徑之一；在日常教學(xué)中強(qiáng)化這種建立物理模型的思想，使學(xué)生在潛移默化中提高利用模型處理物理問(wèn)題的能力。

四、物理模型的應(yīng)用

對(duì)物理模型認(rèn)識(shí)的一般過(guò)程可以用圖1表示。對(duì)一個(gè)物理模型的掌握，關(guān)鍵在于能否運(yùn)用模型解決實(shí)際問(wèn)題，而運(yùn)用模型時(shí)，反過(guò)來(lái)又可以鞏固建立的模型和加深對(duì)模型的理解。物理模型的運(yùn)用，其關(guān)鍵在于將具體的物理問(wèn)題變換為物理模型，再運(yùn)用物理模型中的規(guī)律去解決。

變換物理模型的主要途徑為：

1、運(yùn)用移植法變化物理模型。即把原有的處理物理問(wèn)題的方法移植到不同性質(zhì)的物理模型中，以求得簡(jiǎn)捷的解決方法。

例1：如圖2所示，BC為豎直放置的長(zhǎng)為L(zhǎng)=0.5m的平面鏡，一小球從某高處自由落下，其軌道跟鏡面相距d=0.25m，A處觀察者能在鏡中看到小球的像的時(shí)間為0.4s，a=b=0.4s，求小球從靜止下落到觀察者能從鏡中看到它的像時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。

分析：本題運(yùn)用移植法變換物理模型，把力學(xué)模型移植到光學(xué)中去求解，由平面鏡成像性質(zhì)決定0.4s內(nèi)小球下落的高度，由自由落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)決定小球下落多長(zhǎng)時(shí)間才能看到它的像。

2、運(yùn)用等效法變換物理模型。即通過(guò)易于被研究的物理模型代替陌生、復(fù)雜的物理問(wèn)題，使研究過(guò)程由難變易。

例2：如圖3所示，一長(zhǎng)為L(zhǎng)的細(xì)線，上端固定，下端栓一質(zhì)量為m的帶電小球，將它置于場(chǎng)強(qiáng)大小為E的水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng)中，當(dāng)處于平衡時(shí)，細(xì)線與豎直方向成α角（α≤45°），如果使偏角由α增大到β，然后由靜止釋放，則β應(yīng)為多大才能使細(xì)線到達(dá)豎直位置時(shí)，小球的速度剛好為0？

分析：本題應(yīng)用等效力場(chǎng)模型轉(zhuǎn)換求解，本題的原型是重力場(chǎng)中的單擺模型，現(xiàn)在小球不僅受重力作用，同時(shí)還受到電場(chǎng)力作用，若將這兩個(gè)力合成一個(gè)了，則容易判斷小球的平衡位置在O點(diǎn)，小球從A點(diǎn)釋放后，在A、B之間來(lái)回振動(dòng)的情況與原型類似，則小球相當(dāng)于懸掛在一個(gè)特殊場(chǎng)中的擺球，由原型的結(jié)論推知小球通過(guò)平衡位置O時(shí)速度最大，在到達(dá)振幅位置A、B時(shí)速度為0，由對(duì)稱性可判定β=2α。

3、運(yùn)用類比法變換物理模型。即同類物理問(wèn)題的變換，把不易建立的物理模型轉(zhuǎn)化為已經(jīng)掌握的物理模型，縮短推理過(guò)程。

例3：如圖4所示，有一質(zhì)量為M的平板靜止于光滑水平面上，平板的左端有一質(zhì)量為m的物體以初速度v0在平板上向右滑動(dòng)，摩擦力恒為f，當(dāng)m與M無(wú)相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，m相對(duì)M滑行的距離s為多大？

分析：本題類似于子彈射擊木塊問(wèn)題，屬于碰撞模型，利用動(dòng)量守恒條件和功能關(guān)系很容易求解。

總之，在物理教學(xué)中教師要有目的、有計(jì)劃地應(yīng)用物理模型的變換方法來(lái)研究和處理比較復(fù)雜的物理問(wèn)題，并及時(shí)歸納、總結(jié)、提高，這不但能使學(xué)生加深對(duì)物理概念和規(guī)律的理解，提高解題技巧，促進(jìn)知識(shí)的遷移、技能的培養(yǎng)，而且還對(duì)開(kāi)發(fā)創(chuàng)造性思維、培養(yǎng)分析和解決問(wèn)題的能力有明顯效果。