物理模型在教學中的運用

物理學是一門研究物質最普遍、最基本的運動形式的自然科學。所有的自然現象都不是孤立的，這種事物之間復雜的相互聯系，一方面反映了必然聯系的規律性，同時又存在著許多偶然性，使我們的研究產生了復雜性。例如，在研究物體的機械運動時，實際上的運動往往非常復雜，不可能有單純的直線運動、勻速運動、圓周運動。為了使研究變為可能和簡化，我們常采取先忽略某些次要因素，把問題理想化的方法，如引入勻速直線運動、勻變速直線運動、勻速圓周運動和簡諧運動等理想化的運動。這就是先建立物理模型，然后在一定條件下，用于處理某些實際問題。物理模型是在抓住主要因素忽略次要因素的基礎上建立起來的，它能具體、形象、生動、深刻地反映事物的本質和主流。

一、物理模型在教學中的作用

建立和正確使用物理模型可以提高學生理解和接受新知識的能力。例如，我們在運動學中建立了“質點”模型，學生對這一模型有了充分的認識和足夠的理解，為以后學習質點的運動、萬有引力定律、物體的平動和轉動，以及電學中的“點電荷”模型、光學中的“點光源”模型等奠定了良好的基礎，使學生學習這些新知識時容易理解和接受。

建立和正確使用物理模型有利于學生將復雜問題簡單化、明了化，使抽象的物理問題更直觀、具體、形象、鮮明，突出事物間的主要矛盾。

建立和正確使用物理模型對學生的思維發展、解題能力的提高起著重要的作用，可以把復雜隱含的問題化繁為簡、化難為易，起到事半功倍的效果。

二、中學物理中常見的物理模型

物理模型是物理思想的產物，是科學地進行物理思維并從事物理研究的一種方法。中學物理中常見的物理模型可歸納如下：

1.物理對象模型化。物理中的某些客觀實體，如質點，舍去物體的形狀、大小、轉動等性能，突出它所處的位置和質量的特性，用一有質量的點來描繪，這是對實際物體的簡化。當物體本身的大小在所研究的問題中可以忽略，也能當作質點來處理。

2.物體所處的條件模型化。當研究帶電粒子在電場中運動時，因粒子所受的重力遠小于電場力，可以舍去重力的作用，使問題得到簡化。力學中的光滑面，熱學中的絕熱容器，電學中的勻強電場、勻強磁場等等，都是把物體所處的條件理想化了。

3.物理狀態和物理過程的模型化。例如，力學中的自由落體運動、勻速直線運動、簡諧運動、彈性碰撞，電學中的穩恒電流、等幅振蕩，熱學中的等溫變化、等容變化、等壓變化等等都是物理過程和物理狀態的模型化。

4.理想化實驗。在實驗的基礎上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，根據邏輯推理法則，對過程進一步分析、推理，找出其規律。例如，伽利略的理想實驗為牛頓第一定律的產生奠定了基礎。

5.物理中的數學模型。客觀世界的一切規律原則上都可以在數學中找到它們的表現形式。在建造物理模型的同時，也在不斷地建造表現物理狀態及物理過程規律的數學模型。當然，由于物理模型是客觀實體的一種近似，以物理模型為描述對象的數學模型，也只能是客觀實體的近似的定量描述。例如，在研究外力一定時加速度和質量的關系實驗中，認為小車受到的拉力等于砂和砂桶的重力。其實，小車受到的拉力不正好等于砂和砂桶的總重力，只有砂和砂桶的總質量遠小于小車和砝碼的總質量時，才可近似地取砂和砂桶的總重力為小車所受的拉力，這是我們采取簡化計算的一種數學模型。

三、使用模型應注意的問題

1.模型是在一定條件下適用的。建立物理模型，可使問題的處理大為簡化而又不會發生大的偏差。現實世界中，有許多事物與這種“理想模型”十分接近，在一定場合、一定條件下，作為一種近似，可以把實際事物當作“理想模型”來處理。但也要具體問題具體分析。例如，在研究地球繞太陽公轉運動的時候，由于地球與太陽的平均距離(約14960萬千米)比地球半徑(約6370千米)大得多，地球上各點相對于太陽的運動可以看作是相同的，即地球的形狀、大小就可以忽略不計，這樣就可以把地球當作一個“質點”來處理；但在研究地球自轉時，地球上各點的轉動半徑不同，地球的形狀、大小就不可以忽略，不能把地球當作一個“質點”來處理。

2.物理模型是在不斷完善發展的。隨著社會的不斷進步，人類對事物的本質的認識也是不斷深入和提高的，物理模型也相應地由初級向高級發展并不斷完善。例如，原子模型的提出就是一個不斷完善的過程。起初，人們認為原子是不可分的，其英文名稱atom的原義，即不可分割的意思。直到1897年湯姆生通過陰極射線實驗發現電子，揭開了原子結構的序幕。湯姆生認為：原子是一個球體，正電荷均勻分布在球內，電子像棗糕里的棗子那樣鑲嵌在原子里，這就是湯姆生的“棗糕式”原子模型，此模型能說明原子是中性的，并能說明輻射電磁波形成原子光譜，但解釋不了α粒子散射現象。盧瑟福進行了α粒子散射實驗，他認為：在原子的中心有一個很小的核，叫原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間繞核旋轉，這就是盧瑟福的“原子核式結構”模型，此模型可以解釋α粒子散射實驗，還可以估算出原子核的大小，但與經典電磁理論產生了兩個矛盾。玻爾為了解決上述矛盾，提出了原子的“軌道量子化”模型，這種模型的內容是三條假設，即能級假設、躍遷假設、軌道假設。

總之，由于客觀事物具有多樣性，它們的運動規律往往是非常復雜的，不可能一下子把它們認識清楚。而采用物理模型來代替實在的客體，就可以使事物的規律具有比較簡單的形式，從而便于人們去認識和掌握它們。所以，物理模型在教學領域有著重要的價值。