物理模型思想在教学中的应用

王付萍

物理学是一门研究物质最普遍、最基本的运动形式的自然科学。物理学为自然界的物质结构的相互作用和运动规律提供一幅幅绚丽多彩、结构严谨的图画。而所有的自然现象都不是孤立的，这种事物之间复杂的相互联系，一方面反映了必然联系的规律性，同时又存在着许多偶然性，使我们的研究产生了复杂性。为了形象、简捷的处理物理问题，人们常把复杂的实际情况转化成一定的、容易接受的、简单的物理情境，从而形成一定的经验性的规律，即建立物理模型。物理模型是在抓住主要因素、忽略次要因素的基础上建立起来的，它能具体、形象、生动、深刻地反映事物的本质和主流。

一、认识物理模型

模型一词，在西文中源于拉丁文的nlodulus，意思是尺度、样本、标准。钱学森给模型下了这样的定义：“模型就是通过对问题现象的分解，利用我们考虑得来的原理吸收一切主要的因素，略去一切不主要的因素，所创造出来的一幅图画……”。物理模型就是在一定的场合和条件下，考虑对实际物理现象来说是主要的、本质的特征，忽略次要的、非本质的因素，这种处理问题的方法，叫做物理抽象。被抽象出来的物理现象虽不再是原来的实际的物理现象，但它能反映出原来实际现象发展变化的基本规律，称为原来实际物理现象的物理模型。

例如，正在平直公路上行驶的汽车，车身在平动；车轮在转动；还有组成发动机的一些看不见的运动：发动机的内燃机中的热运动和电磁运动以及构成汽车材料的分子和原子的运动等等。我们如何描述汽车的运动?在汽车一系列复杂的运动中，我们要研究的是汽车运动的快慢，那么只需考虑车身的平动，忽略其他运动形式，于是汽车的实际运动被想像的简化为一个有质量的点在一条直线上的运动。

一个物体在地面附近由静止下落的运动，是物理学中的一种非常简单的运动。但对于这样简单的运动，如果不建立质点模型，也会变得无从下手。因为物体下落时，影响运动的因素很多。首先是重力，根据万有引力定律可知，它将随着物体的下落而改变；其次是物体受到空气的阻力，它与物体的形状、大小和下落的速度有关，同时还与风速、风向、物体下落中的转动有关。如果我们要综合考虑这些因素，找出物体下落的规律，就十分困难。这时，我们可从分析着手，物体从静止开始下落的根本原因是受重力的作用，重力在物体下落中变化极小，可处理成不变；当物体下落过程中速度不大时，阻力较小，也可忽略，同时，也可不计地球的自转、风速以及物体的转动等因素的影响，这样就可将物体抽象成一个质点，将运动过程抽象成只受重力作用下的一种运动，称之为自由落体运动，我们就能方便的研究出物体下落的规律。

观察实验表明：两静止带电体间的静电力关系与电量和相对位置有关，还与带电体的大小、形状、电荷的分布情况以及周围的介质等因素有关，要用实验直接确立所有这些因素对静电力的影响是非常困难的。但是，在带电体线度比它们间的距离小得多的情况下，那么，静电力就基本上只取决于它们的电量及其之间的距离，这时，我们就可忽略带电体的大小、形状、电荷分布等次要因素，将带电体视为只带有电量的一个几何点——点电荷。这一对实际研究对象的抽象，恰是建立库仑定律的基础，也是电磁理论得以建立的基础。

在研究物体的机械运动时，实际上的运动往往非常复杂，不可能有单纯的直线运动、匀速运动、圆周运动。为了使研究变为可能和简化，我们常采取先忽略某些次要因素，把问题理想化的方法，如引入匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速圆周运动和简谐运动等理想化的运动。这就是先建立物理模型，然后在一定条件下，用于处理某些实际问题。

从这些例子的分析中可以看出，物理模型是一个理想化的形态，它最明显的特点就是摒弃了原型中影响问题的各种次要因素，抓住了主要因素，对研究对象做了极度的简化和纯化的处理，从而使我们得以通过研究模型来认识原型中各种本质的特征及其必然联系，建立物理概念，得出物理规律，形成物理理论。可以说，物理模型是物理规律和物理理论赖以建立的基础，各种物理模型的出现正是物理学向深度和广度发展的重要标志。

二、物理模型思想在教学中的应用

理想的物理模型，即是物理科学体系中光辉的典范，也是解决现实物理问题不可或缺的依据，其重要性不言而喻。所以，教师在传授知识的过程中，要根据实际课时的内容安排，及时向学生强调基本物理模型建立的过程和条件，并要求学生牢固把握这些基本的物理模型，并且在具体应用解决物理问题时，引导学生如何根据题设条件，从物理规律出发，通过分析、综合、类比等，突出对所要研究问题起主要作用的因素，略去非本质的次要因素，使思维从纷繁复杂的具体问题中抽象、构造出我们熟悉的简单的物理模型，然后应用掌握的相关知识予以解决。当然，对学生这种能力的要求并非一朝一夕就能培养出来的，需要教师把这种建模意识贯穿在教学的始终。要循序渐进地启发引导学生，使学生逐步熟悉并掌握这种科学研究的思维方法。养成良好的思维品质，使构建物理模型的意识真正成为学生思考问题的方法与习惯。

我们中学已学过的物理模型主要有：

(1)理想对象模型(如质点、理想气体、点电荷、单摆、理想变压器、纯电阻、点光源等)。

(2)理想条件模型(如光滑平面、轻杆、轻绳、均匀分布、匀强电场、缓慢等)。

(3)理想过程模型(如匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速圆周运动、简谐振动、等温过程、弹性碰撞等)。

(4)对象理论模型(如理想气体的分子模型、经典金属导电模型、哥白尼关于天体运行的太阳系模型、汤姆生的“葡萄干布丁”与卢瑟福的“核式结构”的原子模型、光的波粒二象性模型、波尔与夫金克夫等关于原子核的液滴模型等)。

三、学生建模过程中的主要思维障碍

通过对学生的调查、分析、研究，学生在建模中主要存在以下思维障碍：

1缺乏模型意识，对概念和规律掌握不深刻。表现为概念和规律的模型意识不强和相关模型知识准备不足，在概念、规律的学习中，对模型的形象不清晰。

例如，在机械能守恒定律的应用中，往往认为外力和为零机械能守恒，而忽略机械能守恒定律的真正条件应为除重力和弹力以外其他外力做功代数和为零。

再如：公式W=UIt和Q=I²Rt在任何时候都把它们等同应用。

2不清楚建立物理模型的方法和要求。对物理模型方法知之甚少，以质点为例：大部分同学知道质点是物理模型，但只有部分同学知道为什么要建立，是如何建立的。这也可以从质点的应用过程中反映出来。例如：在汽车、火车的转弯中，不能把汽车、火车作为质点而把问题复杂化。

3思维定势的影响。不会应用模型方法解决实际问题，表现为经验模型思维定势的束缚，造成了思维

方向的偏离，使思维展开受到干扰。

例如。汽车在平直的公路上以20 m/s的速度前进。关闭油门后做匀减速直线运动，加速度是4 m／s²，问汽车在关闭油门8s内前进的位移是多少?实际上汽车运动了5 s后就停止了，后3 s处于静止状态，大部分学生没有对过程进行分析就已经把整个过程当作了匀减速直线运动进行处理，这就是思维定势产生的消极影响。

4没有掌握相应的建模方法和技能。

例如。在变压电场中有电子通过。因为通过时间远小于电压变化的时间，所以最后可以看成是稳压电场，电子所受重力远小于电场力，所以可以建立类平抛运动的模型。很多同学对此类题无从下手就是因为不会用近似的方法进行建模。

例1正在平直公路上行使的汽车突然发现前面出现了一堵墙，为了尽可能避免碰到墙壁，汽车急刹车好，还是马上转弯好?为什么?

例2估算大气层空气的总质量。

这两个题目都与生活联系比较紧密，它需要学生自己确定研究对象，设置已知量与未知量，运用物理规律，选择研究方法。学生普遍反映不知从何着手。不知道往什么方向想问题，不知如何应用物理概念和规律。他们习惯于做有数字运算的题，对这类题目，老师没讲过，当然不会做。思维呈现出自我封闭状态。

正因为如此，学生普遍感觉高中物理难学，这主要是因为学生习惯于初中物理的形象思维方式，只要记概念、规律的静态结论，而不重视得出结论的发展过程；只会依芦葫画瓢，模仿性地解决一些简单的物理问题。而不善于通过观察分析。提炼出现实情景的物理模型。笔者认为，高中物理一定要重视建模意识的培养。从而达到培养灵活性、发散性、创造性思维的能力。

模型化阶段是物理问题解决过程中最重要的一步，模型化正确与否或合理与否。直接关系到物理问题解决的质量。培养模型化能力。即使在问题解决过程中依据物理情景的描述。正确选择研究对象。抽象研究对象的物理结构。抽象研究对象的过程模式。因此教师的实际的教学实践过程中应注重培养学生运用物理模型解决物理问题的思维和能力

运用物理模型解题的基本程序有：

(1)通过审题。摄取题目信息。如：物理现象、物理事实、物理情景、物理状态、物理过程等。

(2)弄清题给信息的睹多因素中什么是主要因素。

(3)寻找与已有信息(熟悉的知识、方法、模型)的相似、相近或联系，通过类比联想或抽象概括或逻辑推理或原型启发，建立起新的物理模型。将新情景问题转化为常规问题。

(4)选择相关的物理规律求解。

基于物理模型化在教学中的重要作用。教师对物理模型化教学的研究焦点不能只局限于模型在解题中的应用，而忽视了模型本身在认知方而和提高学生的能力方面的重要作用。研究如何建立物理模型的同时。更应注重如何系统地进行物理模型教学，以更好的提高教学效果。