高中物理教學中構建物理模型淺析

吳海燕

中學物理教學大綱明確指出：“在物理教學過程中，應該通過概念的形成，規律的得出，模型的建立，知識的應用……培養學生的分析、概括、抽象、推理、想象等思維能力”。其中建立物理模型，是物理解題中的重要策略和必要步驟，模型的建立正確與否或合理與否，直接關系到物理問題解決的質量。縱觀物理學史，伽里略和牛頓構建了光滑這一理想化的模型，才有慣性定律的重大發現。法拉第在1852年，對帶電體、磁體周圍空間存在的物質，設想出電場線、磁場線一類力線的模型，并用鐵粉顯示了磁鐵周圍的磁力線分布形狀，從而建立了場的概念，對當前的傳統觀念是一個重大的突破。盧瑟福也在1911年構思出原子的核式結構模型。可見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。培養學生構建物理模型的能力，就是指在解決物理問題過程中指導學生如何依據物理情景的描述，正確選擇研究對象，抽象研究對象的物理結構和過程模式。筆者認為構建物理模型的途徑有以下幾種：

一、明確物理對象，構建概念模型

物理模型大都是以理想化模型為對象建立起來的。建立概念模型實際上是忽略次要因素，抓住主要因素，認清事物的本質，利用理想化的概念模型解決實際問題。如質點、剛體、點電荷、彈簧振子、單擺、理想電流表、理想電壓表等等。學生在理解這些概念時，很難把握其實質，而建立概念模型則是行之有效的思維方式。

二、突出主要矛盾，認清條件模型

條件模型就是將已知的物理條件模型化，舍去條件中的次要因素，抓住條件中的主要因素。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。再如力學中的光滑面、以及在研究兩個物體碰撞時，因作用時間很短，忽略了摩擦等阻力，認為系統的總動量保持不變。條件模型的建立，能使我們研究的問題得到很大的簡化。

三、建立物理圖景，構建過程模型

物理現象中任一物理過程是由無數個連續的狀態組合而成，所謂過程模型就是將物理過程模型化，將一些復雜的物理過程經過分解、簡化、抽象為簡單的、易于理解的物理過程。如力學中的自由落體運動、勻速直線運動、平拋運動、簡諧運動、彈性碰撞；電學中的穩恒電流、等幅振蕩等等都是物理過程的模型化。過程模型的建立，不但可以使問題得到簡化，還可以加深學生對有關概念、規律的理解，有利于培養學生思維的靈活性。

四、挖掘隱含條件，構建情景模型

在物理題目中，有些條件是隱蔽的。對于這些“含而不露”的隱含條件，必須全部挖掘出來，才能使一些模糊的物理過程變得具體化、形象化，才能揭示出它的特征和規律，然后建立過程解答。

如1997年全國高考題：質量為m，電量為g的質點，在靜電力作用下，以恒定速率口沿圓弧從A點運動到B點，其速度方向改變的角度為θ(弧度)，AB弧長為s，求A、B兩點間的電勢差。

對此題，不少考生認為題目給出的條件模型不清，不能建立合理的物理模型，感到無從下手。其實該題已給出了較隱蔽的條件：此質點只在靜電力作用下以恒定速率υ沿圓弧運動，可以推斷出此質點處在點電荷形成的電場中，可以構建“電子繞核作圓周運動模型”，這樣，隱含條件挖掘了出來，物理模型也就清晰了。

五、緊扣關鍵詞句，構建物理模型

在描述物理事物的結構或發展變化過程的時候，往往使題目的篇幅較長，文字量較大，給審題帶來一定的困難，為此要求學生在審題時要重點把握關鍵字句，為模型的建立打好基礎。如看到諸如“最大”“至少”“恰好”等字句要格外留意。電學中有這樣的常見例子：

一個U型導體框架，寬度為L=1m，其所在平面與水平面成a=30°角其電阻可忽略不計。設勻強磁場與U型框架的平面垂直，磁感應強度B=0.2T，今有一根導體棒ab，其質量m=0.2kg，有效電阻R=0.1Ω，跨放在u型框架上，并能無摩擦滑動，求導體ab下滑的最大速度。

題中求“最大速度”幾個字，是提示物理模型的關鍵性詞句，最大，即不可增加，也就是導體ab將以此速度沿導軌斜向下作勻速直線運動。這樣，通過關鍵字句，找到解題的突破口，頭腦中形成清晰的物理模型。

六、善用數學思想，構建物理模型

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。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，小車受到的拉力小于砂和砂桶的總重力。只有當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。再如單擺作簡諧運動時，為什么要求擺角小于10度?這是因為只有在這種情形下，單擺的回復力才近似與位移成正比，才滿足簡諧運動的條件。

“模型”的教學與應用貫穿整個物理教學的始終，教師在教學中應充分給予重視，通過教讓學生更能理解、消化、掌握新知識；通過題解進一步升華物理知識，提高學生的抽象思維、發散思維等能力；通過實踐讓學生細細品味知識、品嘗自然，在實踐中創新，在創新中發展，使學生的創新能力、綜合素質發生質的飛躍。