物理模型在物理課堂上的使用

自然界中任何事物與其他許多事物之間存在著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，并處在不斷的變化之中。人們?cè)谥盅芯繒r(shí)，總是遵循這樣一條重要的方法論原則，即從簡(jiǎn)到繁，先易后難，循序漸進(jìn)，逐次深入。根據(jù)這條原則，人們?cè)谔幚韽?fù)雜的問(wèn)題時(shí)，總是試圖把復(fù)雜的問(wèn)題分解成若干個(gè)比較簡(jiǎn)單的問(wèn)題逐個(gè)擊破；或者把復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)成比較簡(jiǎn)單的問(wèn)題。物理模型的建立就是很好的例子。

中學(xué)物理學(xué)中的“模型”類(lèi)別

物理模型就是采用理想化方法，通過(guò)對(duì)原型客體在一定條件下，經(jīng)過(guò)“去粗取精，去偽存真、由此及彼、有表及里”，抽象出同類(lèi)原型客體的共同特性而建立的一種理想模型。它主要分為4種類(lèi)型。1）物理對(duì)象模型，如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、薄透鏡、點(diǎn)光源等。2）物理過(guò)程模型，如簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，勻速直線運(yùn)動(dòng)，勻速圓周運(yùn)動(dòng)，平拋運(yùn)動(dòng)，氣體的等壓、等容、等溫變化等。3）物理?xiàng)l件模型，如單擺的運(yùn)動(dòng)，忽略單擺擺線的形變，將軌跡以曲代直；研究機(jī)械能轉(zhuǎn)化守恒時(shí)，忽略阻力作用；研究地球公轉(zhuǎn)時(shí)，忽略地球大小和自轉(zhuǎn)等條件理想化處理。4）理想實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停缳だ栽诎l(fā)現(xiàn)慣性定律時(shí)所設(shè)想的在純粹理想狀態(tài)下的斜槽實(shí)驗(yàn)。

物理模型在教學(xué)中的運(yùn)用

建立模型概念，理解概念實(shí)質(zhì)物理模型大都是以理想化模型為對(duì)象建立起來(lái)的。建立概念模型實(shí)際上是撇開(kāi)與當(dāng)前考察無(wú)關(guān)的因素以及對(duì)當(dāng)前考察影響很小的次要因素，抓住主要因素，認(rèn)清事物的本質(zhì)，利用理想化的概念模型解決實(shí)際問(wèn)題。如學(xué)生在理解質(zhì)點(diǎn)、剛體、理想氣體、點(diǎn)電荷等概念，很難把握其實(shí)質(zhì)，而建立概念模型則是一種有效的思維方式。

認(rèn)清條件模型，突出主要矛盾條件模型就是將已知的物理?xiàng)l件模型化，舍去條件中的次要因素，抓住條件中的主要因素，為問(wèn)題的討論和求解起到搭橋鋪路、化難為易的作用。例如在研究?jī)蓚€(gè)物體碰撞時(shí)，因作用時(shí)間很短，忽略了摩擦等阻力，認(rèn)為系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變。條件模型的建立，能使研究的問(wèn)題得到很大的簡(jiǎn)化。

構(gòu)造過(guò)程模型，建立物理圖景過(guò)程模型就是將物理過(guò)程模型化，將一些復(fù)雜的物理過(guò)程經(jīng)過(guò)分解、簡(jiǎn)化，抽象為簡(jiǎn)單的、易于理解的物理過(guò)程。例如，為了研究平拋物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，先將問(wèn)題簡(jiǎn)化為下列兩個(gè)過(guò)程：第一，質(zhì)點(diǎn)在水平方向不受外力，做勻速直線運(yùn)動(dòng)；第二，質(zhì)點(diǎn)在豎直方向僅受重力作用，做自由落體運(yùn)動(dòng)。可見(jiàn)，過(guò)程模型的建立，不但可以使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化，還可以加深學(xué)生對(duì)有關(guān)概念、規(guī)律的理解，有利于培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性。

轉(zhuǎn)換物理模型，深入理解模型通過(guò)對(duì)理想化模型的研究，可以完全避開(kāi)各種因素的干擾，在思維中直接與研究對(duì)象的本質(zhì)接觸，能既快又準(zhǔn)確地了解事物的性質(zhì)和規(guī)律。例如，建立起“單擺”這一理想化模型后，理解了單擺的周期公式，可以解決類(lèi)似于單擺的一系列問(wèn)題：在豎直的光滑圓弧軌道內(nèi)作小幅度滾動(dòng)的小球的周期問(wèn)題；在豎直的加速系統(tǒng)內(nèi)擺動(dòng)的小球的周期問(wèn)題；在光滑斜面上擺動(dòng)的小球的周期問(wèn)題。

物理模型教學(xué)的一般過(guò)程

現(xiàn)以高中物理“單擺”一節(jié)的教學(xué)為例，予以說(shuō)明。

組織典型的演示實(shí)驗(yàn)，初步建立單擺模型單擺就是一理想化模型。在實(shí)際生活中，擺球的質(zhì)量遠(yuǎn)大于擺線的質(zhì)量，擺線的形變很小可以忽略，擺線的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于擺球的直徑，就可視為單擺。單擺在擺角小于5°時(shí)，其振動(dòng)周期與擺球的質(zhì)量無(wú)關(guān)，與擺球大小無(wú)關(guān)。這一組演示實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，形成對(duì)單擺這一理想化模型的初步認(rèn)識(shí)。

進(jìn)行理論分析，深入理解模型單擺振動(dòng)的等時(shí)性，對(duì)單擺的擺線、擺角的要求是一種表現(xiàn)特征，這可以通過(guò)上面的演示實(shí)驗(yàn)觀察到。然而，要理解單擺運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在機(jī)理就非通過(guò)細(xì)致的理論分析不可。理論分析指出，擺球振動(dòng)的回復(fù)力是擺球重力沿圓弧的切向分力，擺角很小時(shí)，F(xiàn)＝－kx，其中k＝mg/l，擺球作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，由此得出單擺振動(dòng)周期公式。這一分析過(guò)程，可由教師指導(dǎo)學(xué)生自己完成。單擺的內(nèi)外特征是統(tǒng)一的，對(duì)擺線、擺角的要求是滿(mǎn)足單擺模型的內(nèi)部特征的外部條件。

運(yùn)用模型解決問(wèn)題運(yùn)用模型解決問(wèn)題，是深入理解、鞏固模型的需要，也是學(xué)習(xí)物理模型的目的。課堂上運(yùn)用模型解決問(wèn)題的方式往往是做練習(xí)題，包括選擇題、判斷題、問(wèn)答題、計(jì)算題以及觀察實(shí)驗(yàn)題等。

使用模型應(yīng)注意的問(wèn)題

首先，建立物理模型，可使問(wèn)題的處理大為簡(jiǎn)化而又不會(huì)發(fā)生大的偏差。現(xiàn)實(shí)世界中，有許多事物與這種“理想模型”十分接近，在一定場(chǎng)合、一定條件下可以把實(shí)際事物當(dāng)作“理想模型”來(lái)處理，但也要具體問(wèn)題具體分析。其次，物理模型是在不斷完善發(fā)展的。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，人類(lèi)對(duì)事物的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)也是不斷深入和提高的，物理模型也相應(yīng)地由初級(jí)向高級(jí)發(fā)展并不斷完善。

綜上所述，“模型”的教學(xué)與應(yīng)用慣穿整個(gè)物理教學(xué)的始終，教師在教學(xué)中應(yīng)充分給予重視，通過(guò)教讓學(xué)生更能理解、消化、掌握新知識(shí)，以達(dá)到“教是為了不教”的目的，培養(yǎng)、提高學(xué)生終身學(xué)習(xí)的綜合實(shí)踐能力，使他們成為21世紀(jì)所需要的復(fù)合型人材。

（作者單位：寧夏海原縣職業(yè)學(xué)校）