浅谈物理模型在物理教学中的运用

姜 静

（大连理工大学附属高中,辽宁 大连 116023）

浅谈物理模型在物理教学中的运用

姜 静

（大连理工大学附属高中,辽宁 大连 116023）

物理学是一门研究物质最普遍、最基本运动形式的自然科学。所有的自然现象都不是孤立的,事物之间复杂的相互联系使我们的研究具有了复杂性。建立以及灵活提取、应用、置换、迁移物理模型,有利于突出事物间的主要矛盾,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,更易于研究物理问题、探究事物的本质。

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。中学物理中常见的物理模型有:

概念模型。如质点,舍去物体的形状、大小、转动等,突出它所处的位置和质量的特性,用一有质量的点来描绘,这是对实际物体的简化。类似的模型还有刚体、点电荷、薄透镜、弹簧振子、单摆、理想气体、理想电流表、理想电压表,等等。

条件模型。如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、热学中的绝热容器、电磁学中的匀强电场和匀强磁场,等等,都是把物体所处的条件理想化了。

过程和状态模型。如力学中的自由落体运动、匀速直线运动、简谐运动、弹性碰撞;电磁学中的稳恒电流、等幅振荡;热学中的等温变化、等容变化、等压变化,等等,都是物理过程和物理状态的模型化。

实验模型。在实验基础上,抓住主要矛盾,忽略次要矛盾,根据逻辑推理法则,对过程进一步分析、推理,找出其规律。例如,伽利略的理想实验为牛顿第一定律的产生奠定了基础。[1]

体现物理规律的数学模型。在构建物理模型的同时,构建表现物理状态及物理过程规律的数学模型。例如,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。这是我们采取简化计算的一种数学模型。

在物理教学过程中如何正确运用物理模型呢?

建立概念模型,理解概念实质。概念是客观事物的本质在人脑中的反映,客观事物的本质属性是抽象的、理性的,要使客观事物在人脑中有深刻的反映,应将它与人脑中存在的事物进行联系,把它形象化和具体化。物理模型一般都是把理想化模型作为对象建立起来的。建立概念模型就是撇开与当前研究无关的因素和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。学生在学习这些物理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。

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,把条件中的次要因素舍去,抓住条件中的主要因素,为讨论问题和解决问题起到搭桥铺路、化难为易的作用。如我们在研究两个物体碰撞时,因物体相互作用时间很短,可忽略摩擦等阻力的影响,系统的总动量可以认为保持不变。建立条件模型,能够大大简化所研究的物理问题。

构建过程模型,建立物理图景。即将物理过程模型化,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。如研究平抛物体的运动规律,我们“化曲为直”,把曲线运动分解为两个直线运动:一是质点在水平方向不受外力,做匀速直线运动;二是质点在竖直方向仅受重力作用,做自由落体运动。然后再进行运动合成,就可把物体的实际位移、速度等描述清楚。过程模型的建立,不但能使问题得到简化,还能够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。

深入理解模型,等效转换情景。通过对理想化模型的研究,可以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,将相似的物理情景等效转换为已知的物理模型,这样既能快捷又能准确地了解事物的性质和规律,使问题得到简化。例如,建立起“单摆”这一理想化模型后,在竖直光滑圆弧轨道内作小幅度滚动的小球,就可等效为“单摆”模型。

将“物理模型”转化成“数学模型”。数学不仅是解决物理问题的工具,数学方法更是物理学的研究方法之一。在物理解题中,可以运用数学方法,将物理问题转化为数学问题,然后运用数学的方法进行求解或论证,再将数学结论回归到物理问题中进行验证,完成物理问题的求解。如力的合成与分解就是将力的大小和方向转化为边角关系,运用三角函数方法求解。

在使用物理模型解决具体问题时,要掌握典型物理模型的本质特征,养成根据物理概念和物理规律分析问题的思维习惯。要结合题目描述的现象和给出的条件,确定问题的性质;同时抓住现象的特征寻找因果关系。这样能够为物理模型的构建和使用打下良好基础。

总之,物理模型的建立,不仅为我们认清事物的本质提供了便利,而且为处理物理问题提供了一系列方法。物理模型可以帮助我们抓住问题的主要方面,排除非本质因素的干扰,舍弃次要因素和无关因素,使物理过程得到简化。

[1]颜紫红.浅谈中学物理实验教学[J].消费导刊,2008（8）:16.

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