姜 靜

（大連理工大學(xué)附屬高中,遼寧 大連 116023）

淺談物理模型在物理教學(xué)中的運(yùn)用

姜 靜

（大連理工大學(xué)附屬高中,遼寧 大連 116023）

物理學(xué)是一門研究物質(zhì)最普遍、最基本運(yùn)動(dòng)形式的自然科學(xué)。所有的自然現(xiàn)象都不是孤立的,事物之間復(fù)雜的相互聯(lián)系使我們的研究具有了復(fù)雜性。建立以及靈活提取、應(yīng)用、置換、遷移物理模型,有利于突出事物間的主要矛盾,將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化、明了化,使抽象的物理問(wèn)題更直觀、具體、形象、鮮明,更易于研究物理問(wèn)題、探究事物的本質(zhì)。

物理模型是物理思想的產(chǎn)物,是科學(xué)地進(jìn)行物理思維并從事物理研究的一種方法。中學(xué)物理中常見(jiàn)的物理模型有:

概念模型。如質(zhì)點(diǎn),舍去物體的形狀、大小、轉(zhuǎn)動(dòng)等,突出它所處的位置和質(zhì)量的特性,用一有質(zhì)量的點(diǎn)來(lái)描繪,這是對(duì)實(shí)際物體的簡(jiǎn)化。類似的模型還有剛體、點(diǎn)電荷、薄透鏡、彈簧振子、單擺、理想氣體、理想電流表、理想電壓表,等等。

條件模型。如研究帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),因粒子所受的重力遠(yuǎn)小于電場(chǎng)力,可以舍去重力的作用,使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。再如,力學(xué)中的光滑面、熱學(xué)中的絕熱容器、電磁學(xué)中的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng),等等,都是把物體所處的條件理想化了。

過(guò)程和狀態(tài)模型。如力學(xué)中的自由落體運(yùn)動(dòng)、勻速直線運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、彈性碰撞;電磁學(xué)中的穩(wěn)恒電流、等幅振蕩;熱學(xué)中的等溫變化、等容變化、等壓變化,等等,都是物理過(guò)程和物理狀態(tài)的模型化。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ趯?shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,抓住主要矛盾,忽略次要矛盾,根據(jù)邏輯推理法則,對(duì)過(guò)程進(jìn)一步分析、推理,找出其規(guī)律。例如,伽利略的理想實(shí)驗(yàn)為牛頓第一定律的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。[1]

體現(xiàn)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。在構(gòu)建物理模型的同時(shí),構(gòu)建表現(xiàn)物理狀態(tài)及物理過(guò)程規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。例如,單擺作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí),為什么要求擺角小于10度?這是因?yàn)橹挥性谶@種情形下,單擺的回復(fù)力才近似與位移成正比,才滿足簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的條件。這是我們采取簡(jiǎn)化計(jì)算的一種數(shù)學(xué)模型。

在物理教學(xué)過(guò)程中如何正確運(yùn)用物理模型呢?

建立概念模型,理解概念實(shí)質(zhì)。概念是客觀事物的本質(zhì)在人腦中的反映,客觀事物的本質(zhì)屬性是抽象的、理性的,要使客觀事物在人腦中有深刻的反映,應(yīng)將它與人腦中存在的事物進(jìn)行聯(lián)系,把它形象化和具體化。物理模型一般都是把理想化模型作為對(duì)象建立起來(lái)的。建立概念模型就是撇開(kāi)與當(dāng)前研究無(wú)關(guān)的因素和對(duì)當(dāng)前考察影響很小的次要因素,抓住主要因素,認(rèn)清事物的本質(zhì),利用理想化的概念模型解決實(shí)際問(wèn)題,如質(zhì)點(diǎn)、剛體、理想氣體、點(diǎn)電荷等。學(xué)生在學(xué)習(xí)這些物理概念時(shí)很難把握其實(shí)質(zhì),而建立概念模型則是一種有效的思維方式。

認(rèn)清條件模型,突出主要矛盾。條件模型就是將已知的物理?xiàng)l件模型化,把條件中的次要因素舍去,抓住條件中的主要因素,為討論問(wèn)題和解決問(wèn)題起到搭橋鋪路、化難為易的作用。如我們?cè)谘芯績(jī)蓚€(gè)物體碰撞時(shí),因物體相互作用時(shí)間很短,可忽略摩擦等阻力的影響,系統(tǒng)的總動(dòng)量可以認(rèn)為保持不變。建立條件模型,能夠大大簡(jiǎn)化所研究的物理問(wèn)題。

構(gòu)建過(guò)程模型,建立物理圖景。即將物理過(guò)程模型化,將一些復(fù)雜的物理過(guò)程經(jīng)過(guò)分解、簡(jiǎn)化,抽象為簡(jiǎn)單的、易于理解的物理過(guò)程。如研究平拋物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,我們“化曲為直”,把曲線運(yùn)動(dòng)分解為兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng):一是質(zhì)點(diǎn)在水平方向不受外力,做勻速直線運(yùn)動(dòng);二是質(zhì)點(diǎn)在豎直方向僅受重力作用,做自由落體運(yùn)動(dòng)。然后再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)合成,就可把物體的實(shí)際位移、速度等描述清楚。過(guò)程模型的建立,不但能使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化,還能夠加深學(xué)生對(duì)有關(guān)概念、規(guī)律的理解,有利于培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性。

深入理解模型,等效轉(zhuǎn)換情景。通過(guò)對(duì)理想化模型的研究,可以避開(kāi)各種因素的干擾,在思維中直接與研究對(duì)象的本質(zhì)接觸,將相似的物理情景等效轉(zhuǎn)換為已知的物理模型,這樣既能快捷又能準(zhǔn)確地了解事物的性質(zhì)和規(guī)律,使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。例如,建立起“單擺”這一理想化模型后,在豎直光滑圓弧軌道內(nèi)作小幅度滾動(dòng)的小球,就可等效為“單擺”模型。

將“物理模型”轉(zhuǎn)化成“數(shù)學(xué)模型”。數(shù)學(xué)不僅是解決物理問(wèn)題的工具,數(shù)學(xué)方法更是物理學(xué)的研究方法之一。在物理解題中,可以運(yùn)用數(shù)學(xué)方法,將物理問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題,然后運(yùn)用數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行求解或論證,再將數(shù)學(xué)結(jié)論回歸到物理問(wèn)題中進(jìn)行驗(yàn)證,完成物理問(wèn)題的求解。如力的合成與分解就是將力的大小和方向轉(zhuǎn)化為邊角關(guān)系,運(yùn)用三角函數(shù)方法求解。

在使用物理模型解決具體問(wèn)題時(shí),要掌握典型物理模型的本質(zhì)特征,養(yǎng)成根據(jù)物理概念和物理規(guī)律分析問(wèn)題的思維習(xí)慣。要結(jié)合題目描述的現(xiàn)象和給出的條件,確定問(wèn)題的性質(zhì);同時(shí)抓住現(xiàn)象的特征尋找因果關(guān)系。這樣能夠?yàn)槲锢砟Ｐ偷臉?gòu)建和使用打下良好基礎(chǔ)。

總之,物理模型的建立,不僅為我們認(rèn)清事物的本質(zhì)提供了便利,而且為處理物理問(wèn)題提供了一系列方法。物理模型可以幫助我們抓住問(wèn)題的主要方面,排除非本質(zhì)因素的干擾,舍棄次要因素和無(wú)關(guān)因素,使物理過(guò)程得到簡(jiǎn)化。

[1]顏?zhàn)霞t.淺談中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].消費(fèi)導(dǎo)刊,2008（8）:16.

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