吉克爾?馬汗

摘要：本文闡述了物理模型的概念、功能，中學物理教材中常見的六種物理模型，物理模型在中學物理教學中地位和作用，以及中學階段在物理模型的教學過程中應該注意的若干問題。

關鍵詞：中學物理；教學；物理模型

一、物理模型的概念及功能

物理學所分析、研究的實際問題往往很復雜，有眾多的因素，為了便于著手分析與研究，物理學往往采用一種“簡化”的方法，對實際問題進行科學抽象化處理，保留主要因素，略去次要因素，得出一種能反映原物本質特性的理想物質（過程）或假想結構，此種理想物質（過程）或假想結構就稱之為物理模型。

物理模型按其設計思想可分為理想化物理模型和探索性物理模型。前者的特點是突出研究客體的主要矛盾，忽略次要因素，將物體抽象成只具有原物體主要因素但并不客觀存在的物質（過程），從而使問題簡化。如質點模型、點電荷模型、理想氣體模型、勻速直線運動模型等等。后者的特點是依據(jù)觀察或實驗的結果，假想出物質的存在形式，但其本質屬性還在進一步探索之中。如原子模型、光的波粒二象性模型等等。

人們建立和研究物理模型的功能主要在于：

一是可以使問題的處理大為簡化而又不會發(fā)生大的偏差，從中較為方便地得出物體運動的基本規(guī)律；

二是可以對模型討論的結果稍加修正，即可用于對實際事物的分析和研究；

三是有助于對客觀物理世界的真實認識，達到認識世界，改造世界，為人類服務之目的。

二、中學物理教材中經常碰到的幾種物理模型

物理模型就它在實際問題中所扮演角色或所起作用的不同，可分為：

1.物理對象模型 即把物理問題的研究對象模型化。

例如質點，舍去和忽略形狀、大小、轉動等性能，突出它具有所處位置和質量的特性，用一個有質量的點來描述，又如點電荷、彈簧振子、單擺、理想變壓器、理想電表等等，都是屬于將物體本身的理想化。

另外諸如點光源、電場線、磁感線等，則屬于人們根據(jù)它們的物理性質，用理想化的圖形來模擬的概念。

2.物理過程模型 即把研究對象的實際運動過程進行近似處理。排除其在實際運動過程中的一些次要因素的干擾，使之成為理想的典型過程。

如研究一個鐵球從高空中由靜止落下的過程。首先應考慮吸引力，由公式F=GMm∕r2可知，鐵球越接近地面，F(xiàn)就越大，其次還要考慮空氣阻力、風速、地球自轉等影響。這樣考查鐵球下落運動過程就顯得十分復雜，研究起來十分不便。為此，我們在研究過程上突出鐵球下落的主要因素，即受重力作用，而忽略其它次要影響，并把重力視為恒力，通過如此簡化，使研究問題簡化，其研究結果也不致影響到基本規(guī)律的正確性。從而成為物理學中一個典型的運動過程，即自由落體運動。這種物理模型稱之為過程模型。

教材中的勻速直線運動、簡諧振動、彈性碰撞；理想氣體的等溫、等容、等壓、絕熱變化等等都是將物理過程模型化。

3.物理條件模型 如自由落體運動規(guī)律就是在建立了“忽略空氣阻力，認為重力恒定”的條件模型之后才得出來的。力學中的光滑斜面；熱學中的絕熱容器；電學中的勻強電場、勻強磁場等等，也都是把物體所處的條件理想化了。

4.物理等效模型 即通過充分挖掘原有物理模型的特征去等效具有相似性質或特點的現(xiàn)象和相似運動形態(tài)的物質和運動。如將理想氣體分子等效為彈性小球，并用彈性小球對器壁的碰撞去解釋和推導氣體壓強公式，用單擺振動模型去等效類比電磁振蕩過程等等。

5.物理實驗模型 在實驗的基礎上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，然后根據(jù)邏輯推理法則，對過程作進一步的分析，推理，找出其規(guī)律，得出實驗結論。

如伽利略就是從斜槽上滾下的小球滾上另一斜槽，后者坡度越小，小球滾得越遠的實驗基礎上提出了他的理想實驗——在無摩擦力情況下，從斜槽滾下的小球將以恒定的速度在無限長的水平面上永遠不停地運動下去，從而推翻了延續(xù)兩千多年的“力是維持物體運動的不可缺少”的結論，為慣性定律（牛頓第一定律）的產生奠定了基礎。

再如在研究電場強度時，設想在電場中放置一個不會引起電場變化的點電荷，去考查它在各點的F∕q值等等。

6.物理數(shù)學模型 即建立以物理模型為描述對象的數(shù)學模型，進行對客觀實體近似的定量計算，從而使問題由繁到簡。如單擺的擺線與豎直方向的夾角不得大于50，使弧線計算轉化為三角計算等等。

三、物理模型在中學物理教學中的地位和作用

1.建立正確鮮明的物理模型是物理學研究的重要方法和有力手段之一

物理學所研究的各種問題，在實際上都涉及許多因素，而模型則是在抓住主要因素，忽略次要因素的基礎上建立起來的。它具有具體形象、生動、深刻地反映了事物的本質和主流這一重要屬性。

如“質點”模型，在物體的宏觀平動運動中，描述運動的物理量位移、速度、加速度等對同一物體來說其上各點都相同，在這些問題的研究中，運動物體的大小和形狀是可不考慮的，故可將運動物體質點化，即用質點模型來取代真實運動的物體。

2.正確鮮明的物理模型本身就是重要的物理內容之一，它與相應的物理概念、現(xiàn)象、規(guī)律相依托

人們認識原子結構的進程中，從湯姆遜模型到盧瑟福模型的飛躍就是生動的反映。

愛因斯坦光電效應方程的建立成功地解釋了光電效應，而它是建立在反映光粒子性的“光子”模型之上的。

諸多的事實都在說明大凡物理現(xiàn)象、過程、規(guī)律都直接與之相應的物理模型關聯(lián)著；一定的物理模型又是最生動最集中地反映著相應的物理概念、現(xiàn)象、過程和規(guī)律，二者密不可分。

3.正確鮮明的物理模型的建立，使許多抽象的物理問題變得直觀化、具體化、形象化

例如，電場線對電場的描述，磁感線對磁場的描述。分子模型對理解分子動理論的基本觀點，原子核式結構對a粒子散射實驗現(xiàn)象的解釋；光子模型對光的粒子性的理解等等，凡是學物理的人都會感受到物理模型所給予的無可爭辯的重要作用。

四、物理模型的教學要著眼于學生掌握建立正確鮮明的物理模型這一根本方法

物理模型是物理基礎知識的一部分，屬物理概念的范疇。學習前人為我們創(chuàng)造的各種物理模型是完成教學內容的重要組成部分，培養(yǎng)學生掌握這一方法，即對一個具體的物理內容、現(xiàn)象或過程能反映出一幅鮮明的“物理圖景”，是培養(yǎng)學生科學思維能力的一個重要方面。為此，我們在教學中應注意如下幾點：

1.講清各物理模型設計的依據(jù)。物理模型看上去是獨立的，但設計物理模型的思想是相通的。

2.講授物理模型要前后呼應，觸類旁通。運動學中建立的“質點”模型，發(fā)展到質點動力學中，萬有引力定律中，以至物體轉動問題中，還可引伸到單擺中的擺球，彈簧振子中的振子，甚至幫助我們建立電學中的點電荷模型，光學中的點光源模型。

3.物理模型思維貫穿在物理教學的過程中，隨著人們對某個物理問題認識的不斷深刻和提高，物理模型也必將隨之完善和準確。例如對于光本性的問題，人們從牛頓的微粒說，惠更斯的波動說、電磁說、粒子說到波粒二象性，在此發(fā)展過程中光的模型也隨之一次次地得到深化。

4.在平時的例題教學中也是處處體現(xiàn)了物理模型的重要地位和作用。解答各類物理習題，學生能否依據(jù)題意建立起相應的物理模型，是解題成敗的重要環(huán)節(jié)。如果解題者所理解的題意中的物理模型與命題者的設計模型一致，題意就必然變得清晰鮮明，習題的難點便會隨之而突破，這種例子是垂手可得的。

總之，物理模型的教學確實需要我們予以足夠的重視，這個問題對提高我們的物理教學水平關系甚大。