高中物理教学中构建物理模型浅析

吴海燕

中学物理教学大纲明确指出：“在物理教学过程中，应该通过概念的形成，规律的得出，模型的建立，知识的应用……培养学生的分析、概括、抽象、推理、想象等思维能力”。其中建立物理模型，是物理解题中的重要策略和必要步骤，模型的建立正确与否或合理与否，直接关系到物理问题解决的质量。纵观物理学史，伽里略和牛顿构建了光滑这一理想化的模型，才有惯性定律的重大发现。法拉第在1852年，对带电体、磁体周围空间存在的物质，设想出电场线、磁场线一类力线的模型，并用铁粉显示了磁铁周围的磁力线分布形状，从而建立了场的概念，对当前的传统观念是一个重大的突破。卢瑟福也在1911年构思出原子的核式结构模型。可见物理模型是物理思想的产物，是科学地进行物理思维并从事物理研究的一种方法。培养学生构建物理模型的能力，就是指在解决物理问题过程中指导学生如何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和过程模式。笔者认为构建物理模型的途径有以下几种：

一、明确物理对象，构建概念模型

物理模型大都是以理想化模型为对象建立起来的。建立概念模型实际上是忽略次要因素，抓住主要因素，认清事物的本质，利用理想化的概念模型解决实际问题。如质点、刚体、点电荷、弹簧振子、单摆、理想电流表、理想电压表等等。学生在理解这些概念时，很难把握其实质，而建立概念模型则是行之有效的思维方式。

二、突出主要矛盾，认清条件模型

条件模型就是将已知的物理条件模型化，舍去条件中的次要因素，抓住条件中的主要因素。当研究带电粒子在电场中运动时，因粒子所受的重力远小于电场力，可以舍去重力的作用，使问题得到简化。再如力学中的光滑面、以及在研究两个物体碰撞时，因作用时间很短，忽略了摩擦等阻力，认为系统的总动量保持不变。条件模型的建立，能使我们研究的问题得到很大的简化。

三、建立物理图景，构建过程模型

物理现象中任一物理过程是由无数个连续的状态组合而成，所谓过程模型就是将物理过程模型化，将一些复杂的物理过程经过分解、简化、抽象为简单的、易于理解的物理过程。如力学中的自由落体运动、匀速直线运动、平抛运动、简谐运动、弹性碰撞；电学中的稳恒电流、等幅振荡等等都是物理过程的模型化。过程模型的建立，不但可以使问题得到简化，还可以加深学生对有关概念、规律的理解，有利于培养学生思维的灵活性。

四、挖掘隐含条件，构建情景模型

在物理题目中，有些条件是隐蔽的。对于这些“含而不露”的隐含条件，必须全部挖掘出来，才能使一些模糊的物理过程变得具体化、形象化，才能揭示出它的特征和规律，然后建立过程解答。

如1997年全国高考题：质量为m，电量为g的质点，在静电力作用下，以恒定速率口沿圆弧从A点运动到B点，其速度方向改变的角度为θ(弧度)，AB弧长为s，求A、B两点间的电势差。

对此题，不少考生认为题目给出的条件模型不清，不能建立合理的物理模型，感到无从下手。其实该题已给出了较隐蔽的条件：此质点只在静电力作用下以恒定速率υ沿圆弧运动，可以推断出此质点处在点电荷形成的电场中，可以构建“电子绕核作圆周运动模型”，这样，隐含条件挖掘了出来，物理模型也就清晰了。

五、紧扣关键词句，构建物理模型

在描述物理事物的结构或发展变化过程的时候，往往使题目的篇幅较长，文字量较大，给审题带来一定的困难，为此要求学生在审题时要重点把握关键字句，为模型的建立打好基础。如看到诸如“最大”“至少”“恰好”等字句要格外留意。电学中有这样的常见例子：

一个U型导体框架，宽度为L=1m，其所在平面与水平面成a=30°角其电阻可忽略不计。设匀强磁场与U型框架的平面垂直，磁感应强度B=0.2T，今有一根导体棒ab，其质量m=0.2kg，有效电阻R=0.1Ω，跨放在u型框架上，并能无摩擦滑动，求导体ab下滑的最大速度。

题中求“最大速度”几个字，是提示物理模型的关键性词句，最大，即不可增加，也就是导体ab将以此速度沿导轨斜向下作匀速直线运动。这样，通过关键字句，找到解题的突破口，头脑中形成清晰的物理模型。

六、善用数学思想，构建物理模型

客观世界的一切规律原则上都可以在数学中找到它们的表现形式。当然，由于物理模型是客观实体的一种近似，以物理模型为描述对象的数学模型，也只能是客观实体的近似的定量描述。例如，在研究外力一定时加速度和质量的关系实验中，认为小车受到的拉力等于砂和砂桶的重力，其实，小车受到的拉力小于砂和砂桶的总重力。只有当砂和砂桶的总质量远小于小车和砝码的总质量时，才可近似地取砂和砂桶的总重力为小车所受的拉力，这是我们采取简化计算的一种数学模型。再如单摆作简谐运动时，为什么要求摆角小于10度?这是因为只有在这种情形下，单摆的回复力才近似与位移成正比，才满足简谐运动的条件。

“模型”的教学与应用贯穿整个物理教学的始终，教师在教学中应充分给予重视，通过教让学生更能理解、消化、掌握新知识；通过题解进一步升华物理知识，提高学生的抽象思维、发散思维等能力；通过实践让学生细细品味知识、品尝自然，在实践中创新，在创新中发展，使学生的创新能力、综合素质发生质的飞跃。