浅议高中物理模型的建构

李艳

【摘要】建构物理模型是人们研究、认识物质世界的一种重要方法，而物理模型的多样性和复杂性也是物理“难学、难教”重要原因之一。本文通过具体实例阐述两个问题：一是怎样科学理解和学习物理模型，二是怎样应用物理模型解决实际问题。把容易混淆、难以理解、难以记忆的知识变得清晰易懂，从而培养学生的方法意识，促进其知识体系的自我构建，并有效地训练学生发散思维能力及归纳能力。

【关键词】建构物理模型 科学概念 物理模型类比学习 模型应用

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）04-0163-02

一、物理模型概述

物理学是自然学科的研究基础，而自然界中任何事物与其他事物之间总存在着千丝万缕的联系，并处在不断的变化中。面对复杂多变的自然界，人们在研究时，总是遵循一个重要的原则，即从简到繁、先易后难、循序渐进、逐次深入。基于这样的思维过程，物理学家创建了“物理模型”。

物理模型是指：物理学所分析的、研究的实际问题很复杂，为了便于分析与研究，常常采用“简化”的方法，对实际问题进行科学抽象的处理，用一种能反映原物本质特性的理想物质（过程）或假想结构，去描述实际的事物（过程）。这种理想物质（过程）或假想结构称之为“物理模型”。“物理模型”的建立是一个创造性过程，对物理模型的认识和理解培养创新能力的过程。在教学中，引导学生正确认识和理解并建立“物理模型”，显然是培养学生创造性思维和创新能力的良好途径。

高中阶段的物理学习为我们积累了很多物理模型，我们可以将其分类成二类，即一是对象模型，如质点、物体的分子结构、理想气体、电流、电阻、磁流体发电机、电磁流量计、理想变压器、原子结构、核结构、导体等等；二是过程模型，如匀速直线运动、匀变速直线及曲线运动、平抛运动、圆周运动、简谐振动、碰撞、能量转化过程、光电效应、核变化等。

在教学中，我们希望学生能在特定的情景下，从生动具体的实际问题出发，运用已有知识，根据研究问题的主要特征建立物理模型，并研究与之关联的物理现象、过程，从而建立相应的物理概念，得出物理规律，形成物理结论。然而，在我们教学的过程中，很多学生学得非常累，经常会出现概念混淆、模型混乱、物理过程分析不清等情况，即使在物理上花费了很多的时间也不能学好。通过多次与学生交流和同事探讨，我认为主要存在两个问题 ，一、没有彻底理解模型特点，无法构建正确的模型，二是难以应用已有的模型解决问题。

二、物理模型的学习

为了便于学生对物理模型有个清晰的认识，真正的了解本质，在教学过程中，我们一般会用到两种方法，一是物理概念法；另一个是模型类比法。

2.1物理概念法

课程标准要求学生在高中物理课中“学习终身发展必备的物理基础知识和技能”。在课程内容上体现“时代性、基础性、选择性”。而高中物理教学中，使学生形成概念，掌握规律，并使他们的认识能力在形成概念、掌握规律的过程中得到充分发展，是高中物理教学的核心问题。李政道在回答怎样才能学好物理这一问题时就曾经强调：学习物理的首要问题是要弄清物理学中的基本概念。

在学习物理模型时，一定要弄清其基本的定义，该定义的条件，该模型的使用范围，以及使用条件。如下例：

例1 理想气体是一种气体模型，是对真实气体的抽象，其微观的特点是：①理想气体分子线度可以忽略不计，即具有一定的质量而没有大小；②分子之间以及分子与器壁间除了弹性碰撞外无其他作用力。通常不易液化的气体在压强不是太大、温度不是太低的情况下，可视为理想气体。现有一定质量的氢气，装在绝热密闭的气缸内，如图所示，若稍稍向下移动活塞压缩气体，则下列叙述符合事实的是（D）。

A.气体的内能一定增加力时

B.气体的温度一定升高

C.气体分子的平均间距不变

D.气体压强一定增加

考题方向：本题要求将实际的气体抽象成理想化的模型（理想气体）后进行分析讨论，考查了影响物体内能的决定因素、改变物体内能的两种方法、热力学第一定律及气体压强与温度、体积的关系等。

定义：严格遵从气态方程（PV=（m/M）RT=nRT）的气体，叫作理想气体（Ideal gas，有些书上，指符合气体三大定律的气体）。从微观角度来看是指：分子本身的体积和分子间的作用力都可以忽略不计的气体，称为是理想气体。扩充：

1.分子体积与气体体积相比可以忽略不计。

2.分子之间没有相互吸引力。

3.分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞不造成动能损失。

4.在容器中，在未碰撞时考虑为作匀速运动，气体分子碰撞时发生速度交换，无动能损失。

5.解热学题的时候，简单的认为是分子热能为零，分子动能不为零。

6.理想气体的内能是分子动能之和。

例2 地球是一个庞然大物，直径约为12800 km，与太阳相距1.5×108 km，研究地球绕太阳的公转时，能不能把它看成质点？研究地面上各处季节变化时，能不能把它看成质点？

考题方向：本体考察质点及可以视为质点的条件。若研究地球绕太阳公转时，由于地球本身的大小比地球到太阳的距离小得多，则可以把地球看作质点；但若研究地面上各处季节变化时，则不能把其看作质点。

定义：用来代替物体的有质量的点。

1.质点是一种科学抽象，是一种理想化的模型。

2.质点是对实际物体的近似，这也是物理学中常用的一种重要的研究方法。

3.一个物体能否看成质点，取决于它的形状和大小在所研究问题中是否可以忽略不计，而跟自身体积的大小、质量的多少和运动速度的大小无关。

4.一个物体能否被看作质点，取决于所研究问题的性质。即使是同一个物体，在研究的问题不同时，有的情况下可以看作质点，而有的情况可能不可以看作质点。

2.2模型类比法

由于物质世界相互联系的性质使自然界各种现象之间、规律之间存在相似性，同时，物质世界的层次性又决定了现象、规律之间本质的差异性。类比法就是建立在比较和想象的基础上，根据事物在某些属性或关系上的相似（或同一），由此及彼，通过对比分析，作出判断的一种推理方法。物理模型类比就是根据不同物理模型在某些属性或关系上的相似（或同一）而推导出它们在另一属性或关系上也可能相似（或同一）的一种推理形式。基于模型类比的方法应具有以下程序：

例1 静电场和引力场的模型类比教学

例2 在学习电磁波的时候，让学生联想已经学过的机械波的特点，以类比的形式组织联想，思维可以涵盖机械波、光波、电磁波，强调它们的共性比较它们的异性，训练学生的推理能力。

从以上的例子可以看出，随着学生学习的深入，学生掌握的物理知识逐渐形成网络，当中有知识的横向式拓宽，也有递进式的深化。通过横向扩延和纵向深入，学生的知识和能力就产生质的飞跃，学生的创造性思维发展也就寓于其中了。在这过程中，模型类比是揭示这些知识内在联系的好方法，通过模型类比，联想、推理出一系列规律，使学生从学会建立物理模型实现到运用物理模型的飞跃。

三、物理模型的应用

3.1运用物理模型解题的步骤

在教学中，我们希望学生能在特定的情景下，从生动具体的实际问题出发，运用已有知识，根据研究客体的主要特征建立物理模型，并研究与之关联的物理现象、过程，从而建立相应的物理概念，得出物理规律，形成物理结论。运用物理模型解题的基本程序为：

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

（2）弄清题目的主要条件。

（3）寻找与已有信息（熟悉的知识、方法、模型）的相似、相近或联系之处，通过类比联想或抽象概括或原型启发，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。

3.2 典型例题

例1 放风筝时人要拉着绳子奔跑一段距离以获得升力。一段时间后，风筝静止在空中。

（1）当风筝在空中处于平衡时，如图所示关于拉绳和风筝的方向中，最合理的图应该是（ ）

（2）假设风筝与竖直方向成a=370角，风筝的质量m=0.18kg，面积S=0.125m2，空气沿水平方向吹向风筝的速度为多少？空气密度取1.25kg/m2，求绳子应与竖直方向成多少度的角？绳中拉力为多少？（设气流与风筝的碰撞是完全弹性碰撞，g取10m/S2）

解析：（1）水平方向气流吹向风筝产生了垂直风筝表面的作用力，风筝要静止，这个作用力应与重力和拉力的合力为0，只有C图中三力可以平衡，如图所示，故选C。

（2）建立一个柱体模型，假设在极短的时间Δt垂直吹到风筝面上的那个极短空气柱的质量为Δm，则Δm=pΔv=pScosa？淄Δt ①

由题意可知：空气柱碰撞风筝后以原速率返回，以Δm 的空气柱为研究对象，受到垂直于风筝的作用力，使垂直风筝方向的动量发生了改变，根据动量定理F'Δt=2Δm？淄cosa ②

由①②得F'=2pS？淄2cos2a

代入数据得F'=20N，根据牛顿第三定律知风筝受到的反作用力大小F=20N 。

∴绳子的拉力T =■ =19N.

设绳与竖直方向的夹角为θ，则sinθ=■=■ 。

∴ θ=arcsin■

技巧点拨：此题首先找出风筝的平衡条件，其次确定空气的流动对风筝产生的作用力的大小和方向。对气流、液体流、粒子流等连续问题应取一个柱体模型作为研究对象是解题的关键。另外，运用动量定理时应注意方向性，即在垂直于风筝方向的空气动量发生变化，而沿风筝方向的不变，所以要进行速度的分解。

例2 电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（在单位时间内通过管内横截面的流体的体积）。为了简化，假设流量计是如图研所示的横截面为长方形的一段管道，它的长、宽、高分别为图中的a、b、c，流量计的两端与输送流体的管道相连接（图中虚线），图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料。现在流量计所在处加磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面，当导电流体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串联了电阻R的电流表的两端连接，I表示测量的电流值。已知液体的电阻率为ρ，不计电流表的内阻，则可求得流量为：

A. ■=（bR+P■） B. ■=（aR+P■）

C. ■=（cR+P■） D. ■=（R+P■）

解析：题中多处用到等效的思想：①由导电液体的流动建立导体棒切割磁感线的模型；②由在磁场中的流动的液体建立电源的模型；③由管道建立电阻的模型。

等效电动势：EBL？淄=Bc？淄 等效内阻r=P■

由闭合电路欧姆定律：I=■=■ ①

流量Q= ？淄bc ②

联立①②两式得流量Q=■（bR+P■）。

联想发散：闭合回路中有电流时是一定要有电源的，电源不等同于电池，形式可以是多样的，如感应电动势、霍耳效应等等。

四、结束语

在课改中，尤其是在减轻负担增加效率的背景下，丰富的教学内容与不断减少的教学时间是一对十分突出的矛盾。以现行“人教版”物理教材为例，教材更为注重点面结合，点，主干知识明确，基础知识、基本规律一个都不少，面，增加了许多联系生产生活的实际问题和高新科技内容，使物理知识更贴近生活实际，学生学习物理倍感亲切，同时教材也丰富了课程形式，引入了研究性学习、探索性实验课等等。如何让学生在较少的课时内，掌握更丰富的物理知识和能力，“概念教学”、“模型类比教学”教学不失为一种有效方法。

学生能够很好的掌握物理模型，并应用物理模型是学好物理的关键，希望本文能够对广大物理学习爱好者有所帮助。