物理模型在教學中的運用

張亞麗

物理學是一門研究物質(zhì)最普遍、最基本的運動形式的自然科學,而所有的自然現(xiàn)象都不是孤立的。這種事物之間復雜的相互聯(lián)系,一方面反映了必然聯(lián)系的規(guī)律性,同時又存在著許多偶然性,使我們的研究產(chǎn)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?yōu)榭赡芎秃喕?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(zhì)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(zhì)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(zhì)點的運動、萬有引力定律、物體的平動和轉(zhuǎn)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,突出了事物間的主要矛盾。

建立和正確使用物理模型對學生的思維發(fā)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(chǎn)物,是科學地進行物理思維并從事物理研究的一種方法。就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(zhì)點,舍去物體的形狀、大小、轉(zhuǎn)動等性能,突出它所處的位置和質(zhì)量的特性,用一有質(zhì)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(zhì)點來處理。類似質(zhì)點的客觀實體還有剛體、點電荷、薄透鏡、彈簧振子、單擺、理想氣體、理想電流表、理想電壓表等等。

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(tài)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(wěn)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(tài)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(jù)邏輯推理法則,對過程進一步分析、推理,找出其規(guī)律。例如,伽利略的理想實驗為牛頓第一定律的產(chǎn)生奠定了基礎。

5.物理中的數(shù)學模型。客觀世界的一切規(guī)律原則上都可以在數(shù)學中找到它們的表現(xiàn)形式。在建造物理模型的同時,也在不斷地建造表現(xiàn)物理狀態(tài)及物理過程規(guī)律的數(shù)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(shù)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(zhì)量的關系實驗中,認為小車受到的拉力等于沙和沙桶的重力,其實,小車受到的拉力不正好等于沙和沙桶的總重力。只有沙和沙桶的總質(zhì)量遠小于小車和砝碼的總質(zhì)量時,才可近似地取沙和沙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(shù)學模型。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。

作者單位:河北省唐山市豐南區(qū)第二中學