建立物理模型，简化认知过程

曹剑征

中学生在物理学习过程中总会出现物理过程理解不清甚至分析起物理过程总是一团糟,不能抓住物理变化中的本质问题。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,这使学生的分析问题时发生了紊乱。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。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。物理模型能简化了学生对物理过程的认知,便于他们理解物理过程。

一、物理模型在教学中的作用

建立和正确使用物理模型可以提高学生理解和接受新知识的能力。例如,我们在运动学中建立了“质点”模型,学生对这一模型有了充分的认识和足够的理解,为以后学习质点的运动、万有引力定律、物体的平动和转动,以及电学中的“点电荷”模型、光学中的“点光源”模型等奠定了良好的基础。使学生学习这些新知识时容易理解和接受。

建立和正确使用物理模型有利于学生将复杂问题简单化、明了化,使抽象的物理问题更直观、具体、形象、鲜明,突出了事物间的主要矛盾,对学生的思维发展、解题能力的提高起着重要的作用。可以把隐含的复杂问题化繁为简、化难为易,起到事半功倍的效果。

二、物理模型在教学中的运用

1.建立模型概念,理解概念实质。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撇开与当前考察无关的因素以及对当前考察影响很小的次要因素,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、理想气体、点电荷等等。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一种有效的思维方式。

2.认清条件模型,突出主要矛盾。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,为问题的讨论和求解起到搭桥铺路、化难为易的作用。例如,我们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。

3.构造过程模型,建立物理图景。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。例如,为了研究平抛物体的运动规律,我们先将问题简化为下列两个过程:第一,质点在水平方向不受外力,做匀速直线运动;第二,质点在竖直方向仅受重力作用,做自由落体运动。可见,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。

4.转换物理模型,深入理解模型。通过对理想化模型的研究,可以完全避开各种因素的干扰,在思维中直接与研究对象的本质接触,能既快又准确地了解事物的性质和规律。例如,建立起“单摆”这一理想化模型后,理解了单摆的周期公式,可以解决类似于单摆的一系列问题:在竖直的光滑圆弧轨道内作小幅度滚动的小球的周期问题;在竖直的加速系统内摆动的小球的周期问题;在光滑斜面上摆动的小球的周期问题。

三、使用模型应注意的问题

1.模型是在一定条件下适用的。建立物理模型,可使问题的处理大为简化而又不会发生大的偏差。现实世界中,有许多事物与这种“理想模型”十分接近,在一定场合、一定条件下,作为一种近似,可以把实际事物当作“理想模型”来处理,但也要具体问题具体分析。

2.物理模型是在不断完善发展的。随着社会的不断进步,人类对事物的本质的认识也是不断深入和提高的,物理模型也相应地由初级向高级发展并不断完善。

总之,由于客观事物具有多样性,它们的运动规律往往是非常复杂的,不可能一下子把它们认识清楚。而采用理想化的物理模型来代替实在的客体,就可以使事物的规律具有比较简单的形式,从而便于学生去认识和掌握它们。从而提高教学质量。

作者单位:河北正定县第三中学