李劍波

摘要：本文首先分析了物理模型在物理學(xué)及其發(fā)展中的重要性，然后結(jié)合初中物理教育和教學(xué)的特點(diǎn)分析了物理模型在初中物理教育教學(xué)中的重要意義，接下來(lái)本文又把初中物理模型按不同類型逐一分析，最后給出了方法論意義。

關(guān)鍵詞：物理模型；初中物理教育；初中物理教學(xué)；簡(jiǎn)單性原理

模型在我們?nèi)粘Ｉ?、工程技術(shù)和科學(xué)研究中經(jīng)常見(jiàn)到，對(duì)我們的生產(chǎn)生活有很大幫助。物理學(xué)研究具有復(fù)雜性。怎樣發(fā)現(xiàn)復(fù)雜多變的客觀現(xiàn)象背后的基本規(guī)律呢？又如何簡(jiǎn)單的表達(dá)它們呢？人們有幸在漫長(zhǎng)地實(shí)踐活動(dòng)中找到一些有效的方法，其中一個(gè)就是：在具體情況下忽略研究對(duì)象或過(guò)程的次要因素，抓住其本質(zhì)特征，把復(fù)雜的研究對(duì)象或現(xiàn)象簡(jiǎn)化為較為理想化的模型，從而發(fā)現(xiàn)和表達(dá)物理規(guī)律。

既然物理模型是物理學(xué)研究的重要方法和手段，物理教育和教學(xué)中對(duì)物理模型的講述和講授就必不可少。建立物理模型就要忽略次要因素以簡(jiǎn)化客觀對(duì)象，合理簡(jiǎn)化客觀對(duì)象的過(guò)程就是建立物理模型的過(guò)程。根據(jù)簡(jiǎn)化過(guò)程和角度的不同，將物理模型分為以下五類：物理對(duì)象模型、物理?xiàng)l件模型、物理過(guò)程模型、理想化實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型。下面我們逐個(gè)加以說(shuō)明。

（一）物理對(duì)象模型——直接將具體研究對(duì)象的某些次要因素忽略掉而建立的物理模型。這種模型應(yīng)用最為廣泛，在初中物理教材中有許多很好的例子。例如：質(zhì)點(diǎn)、薄透鏡、光線、彈簧振子、理想電流表、理想電壓表、理想電源和分子模型。作為例子，我們?cè)敿?xì)分析質(zhì)點(diǎn)。質(zhì)點(diǎn)，就是忽略運(yùn)動(dòng)物體的大小和形狀而把它看成的一個(gè)有質(zhì)量的幾何點(diǎn)。其條件是在所研究的問(wèn)題中，實(shí)際物體的大小和形狀對(duì)本問(wèn)題的研究的影響小到可以忽略。這樣以來(lái)，很多類型的運(yùn)動(dòng)的描述就得到化簡(jiǎn)。比如所有做直線運(yùn)動(dòng)的物體都可以看成質(zhì)點(diǎn)。因?yàn)樽髦本€運(yùn)動(dòng)的物體的每一個(gè)部分每時(shí)每刻都做同樣的運(yùn)動(dòng)，所以就可以忽略其大小和形狀，而只找這個(gè)物體上的一個(gè)點(diǎn)作為概括，當(dāng)然這個(gè)點(diǎn)的質(zhì)量等于物體本身的質(zhì)量。這樣，直線運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡就是一條直線，很容易想象、理解和刻畫。很多具體例子都可以這么做，例如以最大速度行駛在筆直鐵軌上的火車，沿著航空路線飛行的客機(jī)，從比薩斜塔上下落的鐵球，等等。

（二）物理?xiàng)l件模型——忽略研究對(duì)象所處條件的某些次要因素而形成的物理模型。在初中物理中有：光滑面、輕質(zhì)桿、輕質(zhì)滑輪、輕繩、輕質(zhì)球、絕熱容器、勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)等。我們以輕質(zhì)桿為例加以分析。比如簡(jiǎn)單機(jī)械里的杠桿，在初中階段問(wèn)題往往歸結(jié)到力矩的平衡上來(lái)。即：動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂。動(dòng)力和阻力都包括桿以外的物體對(duì)杠桿的作用力，還包括桿本身的重力。而桿重力的力臂在桿上的每一點(diǎn)都不同，這樣除了桿的形狀是幾何規(guī)則的少數(shù)例子以外的絕大部分杠桿問(wèn)題在初中階段就沒(méi)法解決。而輕質(zhì)桿的引入正好解決了這一問(wèn)題。輕質(zhì)桿是忽略了自身重力的彈性桿。當(dāng)外界物體對(duì)杠桿的力矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于桿自身重力的力矩或者桿自身重力的力矩相互抵消時(shí)，就可以把桿當(dāng)成輕質(zhì)桿，杠桿受到的力矩只有外力矩，這樣所有杠桿平衡問(wèn)題都可以迎刃而解。

（三）物理過(guò)程模型——忽略物理過(guò)程中的某些次要因素建立的物理模型。在初中物理中有：勻速直線運(yùn)動(dòng)、穩(wěn)恒電流等。這些物理模型都是把物理過(guò)程中的某個(gè)物理量的微小變化忽略掉，把這個(gè)物理量看成是恒定的。因?yàn)檫@些量的變化量與物理量本身相比太小了，以至于可以略去不計(jì)。這樣不用考慮過(guò)程中物理量的復(fù)雜變化情況而只考慮恒定過(guò)程，分析問(wèn)題就容易多了。

（四）理想化實(shí)驗(yàn)——在大量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)邏輯推理，忽略次要因素，抓住主要特征，得到在理想條件下的物理現(xiàn)象和規(guī)律的科學(xué)研究方法就是理想實(shí)驗(yàn)。理想化方法是物理科學(xué)研究和物理學(xué)習(xí)中最基本、應(yīng)用最廣泛的方法。初中物理中就有一個(gè)非常著名的理想化實(shí)驗(yàn)：伽利略斜面實(shí)驗(yàn)。伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)有許多，現(xiàn)在舉其中的一個(gè)例子，同樣的小球從同種材料同樣高度的斜面上滑下來(lái)，在摩擦力依次減小的水平面上沿直線運(yùn)動(dòng)的路程依次增大。伽利略由此推知：小球在沒(méi)有摩擦的水平面上永遠(yuǎn)做勻速直線運(yùn)動(dòng)（在理想條件下的物理現(xiàn)象）。牛頓又在此基礎(chǔ)上建立了牛頓第一定律。無(wú)需多論，也足以見(jiàn)得理想實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)大力量。

（五）數(shù)學(xué)模型——由數(shù)字、字母或其它數(shù)學(xué)符號(hào)組成的、描述現(xiàn)實(shí)對(duì)象數(shù)量規(guī)律的數(shù)學(xué)公式、圖形或算法。初中物理中的數(shù)學(xué)模型主要有磁感線和電場(chǎng)線。磁感線（電場(chǎng)線）是形象的描述磁感應(yīng)強(qiáng)度（電場(chǎng)強(qiáng)度）空間分布的幾何線，是一種數(shù)學(xué)符號(hào)。而磁場(chǎng)和電場(chǎng)本身的性質(zhì)對(duì)這些幾何線做了一些規(guī)定，例如空間各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度是唯一的規(guī)定了電場(chǎng)線不相交。這樣就使它們成為形象、簡(jiǎn)練而準(zhǔn)確的描述磁場(chǎng)和電場(chǎng)的數(shù)學(xué)符號(hào)。

物理模型在初中物理教育與教學(xué)中起到舉足輕重的作用，因此，在教學(xué)中我們就要重視對(duì)物理模型概念和具體模型（例如上文分析的模型）的講述，重視對(duì)建立物理模型方法的講授，重視對(duì)學(xué)生建立和應(yīng)用物理模型意識(shí)的增強(qiáng)，重視對(duì)學(xué)生建立和應(yīng)用物理模型能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生體驗(yàn)到成功建立和應(yīng)用物理模型解決實(shí)際問(wèn)題的快樂(lè)。endprint