孫有福

建立物理模型是指在分析、解決物理問題的過程中，忽略次要和非本質(zhì)的因素，抓住主要和本質(zhì)的因素，對(duì)某一系統(tǒng)或物理過程做一種簡(jiǎn)化的描述和模擬。建模有助于抓住問題的本質(zhì)，排除次要因素的干擾，使物理問題得以簡(jiǎn)化。建模也有助于正確理解一些抽象物理概念、物理規(guī)律和物理情景，使得研究物理問題較為方便，更易于探究事物的本質(zhì)。在物理學(xué)研究方法中，建模是一種很重要的方法。它貫穿于整個(gè)物理學(xué)發(fā)展過程，物理學(xué)的發(fā)展可以說(shuō)是伴隨著建立物理模型和用新的物理模型來(lái)代替舊的或不完善的物理模型的過程。下面談?wù)勎覍?duì)物理模型的理解。

一、物理模型在教學(xué)中的作用

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(shí)的能力。例如，我們?cè)谶\(yùn)動(dòng)學(xué)中建立了“質(zhì)點(diǎn)”模型，學(xué)生對(duì)這一模型有了充分的認(rèn)識(shí)和足夠的理解，為以后學(xué)習(xí)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)、萬(wàn)有引力定律、物體的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，以及電學(xué)中的“點(diǎn)電荷”模型、光學(xué)中的“點(diǎn)光源”模型等奠定了良好的基礎(chǔ)。使學(xué)生學(xué)習(xí)這些新知識(shí)時(shí)容易理解和接受。

建立和正確使用物理模型有利于學(xué)生將復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化、明了化，使抽象的物理問題更直觀、具體、形象、鮮明，突出了事物間的主要矛盾。建立和正確使用物理模型對(duì)學(xué)生的思維發(fā)展、解題能力的提高起著重要的作用。可以把復(fù)雜隱含的問題化繁為簡(jiǎn)、化難為易，起到事半功倍的效果。

二、中學(xué)物理中常見的物理模型

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。就中學(xué)物理中常見的物理模型，可歸納如下：

1.物理對(duì)象模型化。物理中的某些客觀實(shí)體，如質(zhì)點(diǎn)，舍去物體的形狀、大小、轉(zhuǎn)動(dòng)等性能，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。當(dāng)物體本身的大小在所研究的問題中可以忽略，也能當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)來(lái)處理。類似質(zhì)點(diǎn)的客觀實(shí)體還有剛體、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。

2.物體所處的條件模型化。當(dāng)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，使問題得到簡(jiǎn)化。力學(xué)中的光滑面；熱學(xué)中的絕熱容器、電學(xué)中的勻強(qiáng)電場(chǎng)、勻強(qiáng)磁場(chǎng)等等，都是把物體所處的條件理想化了。

3.物理狀態(tài)和物理過程的模型化。例如，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程和物理狀態(tài)的模型化。

三、物理模型在教學(xué)中的運(yùn)用

1.建立模型概念，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。要想使客觀事物在人腦中有深刻的反映，必須將它與人腦中已有的事物聯(lián)系起來(lái)，使之形象化、具體化。物理模型大都是以理想化模型為對(duì)象建立起來(lái)的。建立概念模型實(shí)際上是撇開與當(dāng)前考察無(wú)關(guān)的因素以及對(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)際問題。如質(zhì)點(diǎn)、剛體、理想氣體、點(diǎn)電荷等等。學(xué)生在理解這些概念時(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。

2.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，舍去條件中的次要因素，抓住條件中的主要因素，為問題的討論和求解起到搭橋鋪路、化難為易的作用。例如，我們?cè)谘芯績(jī)蓚€(gè)物體碰撞時(shí)，因作用時(shí)間很短，忽略了摩擦等阻力，認(rèn)為系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變。條件模型的建立，能使我們研究的問題得到很大的簡(jiǎn)化。

3.構(gòu)造過程模型，建立物理圖景。過程模型就是將物理過程模型化，將一些復(fù)雜的物理過程經(jīng)過分解、簡(jiǎn)化、抽象為簡(jiǎn)單的、易于理解的物理過程。例如，為了研究平拋物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，我們先將問題簡(jiǎn)化為下列兩個(gè)過程：第一，質(zhì)點(diǎn)在水平方向不受外力，做勻速直線運(yùn)動(dòng)；第二，質(zhì)點(diǎn)在豎直方向僅受重力作用，做自由落體運(yùn)動(dòng)?？梢?，過程模型的建立，不但可以使問題得到簡(jiǎn)化，還可以加深學(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。

總之，由于客觀事物具有多樣性，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律往往是非常復(fù)雜的，不可能一下子把它們認(rèn)識(shí)清楚。而采用理想化的客體(即物理模型)來(lái)代替實(shí)在的客體，就可以使事物的規(guī)律具有比較簡(jiǎn)單的形式，從而便于人們?nèi)フJ(rèn)識(shí)和掌握它們。建立正確的物理模型可使我們對(duì)物理本質(zhì)的理解更加細(xì)致深入，對(duì)物理問題的分析更加清晰明了。所以，物理模型在教學(xué)領(lǐng)域有著重要的價(jià)值。