物理模型:敲開(kāi)學(xué)習(xí)物理靈感之門(mén)

摘 要: 自然界中各事物之間復(fù)雜的相互聯(lián)系，使中學(xué)物理學(xué)習(xí)具有復(fù)雜性，物理模型的認(rèn)識(shí)、構(gòu)建及應(yīng)用開(kāi)啟了中學(xué)物理學(xué)習(xí)的靈感之門(mén)。如何正確認(rèn)識(shí)、構(gòu)建、掌握、運(yùn)用物理模型解決實(shí)際問(wèn)題，成為廣大師生極為關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞: 中學(xué)物理教學(xué) 物理模型 運(yùn)用途徑

物理學(xué)是一門(mén)研究物質(zhì)最普遍、最基本的運(yùn)動(dòng)形式的自然科學(xué)。所有的自然現(xiàn)象都不是孤立的，這種事物之間復(fù)雜的相互聯(lián)系，反映了必然聯(lián)系的規(guī)律性，同時(shí)又存在著許多偶然性，使我們的研究具有復(fù)雜性。錢(qián)學(xué)森先生曾指出:“模型就是通過(guò)我們對(duì)問(wèn)題的分解，利用我們考究得來(lái)的機(jī)理，吸收一切主要因素，略去一切不主要的因素所創(chuàng)造的出來(lái)的一幅圖畫(huà)……”它是構(gòu)思在我們頭腦中的形象圖畫(huà)的，它能具體、形象、生動(dòng)、深刻地反映事物的本質(zhì)和主流。例如，在研究物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)際上的運(yùn)動(dòng)往往非常復(fù)雜，不可能有單純的直線運(yùn)動(dòng)、勻速運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)。為了使研究變?yōu)榭赡芎秃?jiǎn)化，我們常采取忽略某些次要因素，把問(wèn)題理想化的方法，如引入勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻變速直線運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)和簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)等理想化的運(yùn)動(dòng)。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(shí)際問(wèn)題。

一、正確認(rèn)知物理模型

模型是按照實(shí)物制作的簡(jiǎn)化的樣品，模型不是實(shí)物，但是模型必須在一定程度上反映實(shí)物。最常見(jiàn)的模型是在幾何比例上與實(shí)物一致。

物理模型是心理構(gòu)造物，是曾經(jīng)作用于人的事物在頭腦中留下的形象，它的建立是由感知到思維過(guò)渡的必要環(huán)節(jié)。這種模型不是個(gè)別事物的形象，而是反映事物一般物理關(guān)系本質(zhì)的簡(jiǎn)化的一般表象。它是以視覺(jué)為主，不僅是立體的而且是變化的，也就是說(shuō)是四維的，在心理活動(dòng)中可以被操作，可以在想象中對(duì)它們進(jìn)行觀察、測(cè)量和實(shí)驗(yàn)。

二、物理模型在中學(xué)物理教學(xué)中的作用

正確建立和使用物理模型是理解和接受中學(xué)物理知識(shí)的一項(xiàng)必備能力。例如，我們?cè)谶\(yùn)動(dòng)學(xué)中建立了“質(zhì)點(diǎn)”模型，只有你對(duì)這一模型有了充分的認(rèn)識(shí)和足夠的理解，才能為以后學(xué)習(xí)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)、萬(wàn)有引力定律、物體的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，以及電學(xué)中的“點(diǎn)電荷”模型，光學(xué)中的“點(diǎn)光源”模型等奠定良好的基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)這些新知識(shí)時(shí)容易理解和接受。

正確建立和使用物理模型有利于將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化、明了化，使抽象的物理問(wèn)題更直觀、具體、形象、鮮明，突出事物間的主要矛盾。

正確建立和使用物理模型對(duì)思維發(fā)展、解題能力的提高起著重要的作用。這樣可以把復(fù)雜隱含的問(wèn)題化繁為簡(jiǎn)、化難為易，起到事半功倍的效果。

三、中學(xué)物理中常見(jiàn)的物理模型

物理模型是物理思想的產(chǎn)物，是科學(xué)地進(jìn)行物理思維并從事物理研究的一種方法。中學(xué)物理中常見(jiàn)的物理模型可歸納如下。

1.物理對(duì)象模型化。物理中的某些客觀實(shí)體，如質(zhì)點(diǎn)，舍去物體的形狀、大小、轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)來(lái)描繪，這是對(duì)實(shí)際物體的簡(jiǎn)化。如果物體本身的大小在所研究的問(wèn)題中可以忽略，也能當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)來(lái)處理。類(lèi)似質(zhì)點(diǎn)的客觀實(shí)體還有剛體、點(diǎn)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。

2.物體所處的條件模型化。當(dāng)研究帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，因粒子所受的重力遠(yuǎn)小于電場(chǎng)力，可以舍去重力的作用，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。力學(xué)中的光滑面，熱學(xué)中的絕熱容器，電學(xué)中的勻強(qiáng)電場(chǎng)、勻強(qiáng)磁場(chǎng)，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(guò)程的模型化。例如，力學(xué)中的自由落體運(yùn)動(dòng)、勻速直線運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、彈性碰撞，電學(xué)中的穩(wěn)恒電流、等幅振蕩，熱學(xué)中的等溫變化、等容變化、等壓變化等都是物理過(guò)程和物理狀態(tài)的模型化。

4.理想化實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，教師應(yīng)抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，根據(jù)邏輯推理法則，對(duì)過(guò)程進(jìn)一步分析、推理，找出其規(guī)律。例如，伽利略的理想實(shí)驗(yàn)為牛頓第一定律的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。

5.物理中的數(shù)學(xué)模型。客觀世界的一切規(guī)律原則上都可以在數(shù)學(xué)中找到它們的表現(xiàn)形式。在建造物理模型的同時(shí)，我們也在不斷地建造表現(xiàn)物理狀態(tài)，以及物理過(guò)程規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)然，由于物理模型是客觀實(shí)體的一種近似，以物理模型為描述對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，也只能是客觀實(shí)體的近似的定量描述。例如，在研究外力一定時(shí)加速度和質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，一般認(rèn)為小車(chē)受到的拉力等于砂和砂桶的重力，其實(shí)，小車(chē)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(zhì)量遠(yuǎn)小于小車(chē)和砝碼的總質(zhì)量時(shí)，才可近似地取砂和砂桶的總重力為小車(chē)所受的拉力，這是我們采取簡(jiǎn)化計(jì)算的一種數(shù)學(xué)模型。單擺作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)，為什么要求擺角小于10度?這是因?yàn)橹挥性谶@種情形下，單擺的回復(fù)力才近似與位移成正比，才滿足簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的條件。

四、正確構(gòu)建物理模型

正確構(gòu)建物理模型是學(xué)習(xí)和解決物理問(wèn)題的前提和關(guān)鍵，也是將所謂的“難題”轉(zhuǎn)化為常規(guī)問(wèn)題的重要途徑。正確構(gòu)建物理模型的途徑較多，有通過(guò)攝取信息構(gòu)建物理模型，緊扣關(guān)鍵詞句構(gòu)建物理模型，探究物理實(shí)質(zhì)構(gòu)建物理模型，探究問(wèn)題的本質(zhì)特征構(gòu)建物理模型，探究隱含條件構(gòu)建物理模型，通過(guò)類(lèi)比等效的思維方法構(gòu)建物理模型，等等。基本方法如下。

1.通過(guò)審題，攝取題目信息。如:物理現(xiàn)象、物理事實(shí)、物理情景、物理狀態(tài)、物理過(guò)程等。2.弄清題給信息的諸因素中什么是主要因素。3.尋找與已有信息(某種知識(shí)、方法、模型)的相似、相近或聯(lián)系，通過(guò)類(lèi)比聯(lián)想或抽象概括，或邏輯推理，或原型啟發(fā)，建立起新的物理模型，將新情景問(wèn)題“難題”轉(zhuǎn)化為常規(guī)命題。

五、物理模型在中學(xué)物理學(xué)習(xí)過(guò)程中的運(yùn)用途徑

1.建立模型概念，理解概念實(shí)質(zhì)。概念是客觀事物的本質(zhì)在人腦中的反映，客觀事物的本質(zhì)屬性是抽象的、理性的。要想使客觀事物在人腦中有深刻的反映，必須將它與人腦中已有的事物聯(lián)系起來(lái)，使之形象化、具體化。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，如質(zhì)點(diǎn)、剛體、理想氣體、點(diǎn)電荷等。學(xué)生在理解這些概念時(shí)，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。

2.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，我們?cè)谘芯績(jī)蓚€(gè)物體碰撞時(shí)，因作用時(shí)間很短，忽略摩擦等阻力，認(rèn)為系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變。條件模型的建立，能使我們研究的問(wèn)題得到很大的簡(jiǎn)化。

3.結(jié)合模型構(gòu)造情境模型，建立物理圖境。情境模型就是將物理過(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，我們先將問(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)，情境模型的建立，不但可以使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化，而且可以加深對(duì)有關(guān)概念、規(guī)律的理解，有利于培養(yǎng)個(gè)體思維的靈活性。

4.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，我們可以完全避開(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。

5.物理模型向數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)化。建立物理模型后，分析與主要因素有關(guān)的基本物理量中，哪些是常量，哪些是變量;哪些是矢量，哪些是標(biāo)量;哪些是過(guò)程量，哪些是狀態(tài)量;哪些是已知量，哪些是待求量。再根據(jù)物理規(guī)律找出各物理量之間的關(guān)系式，抽象出研究對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。

六、使用模型應(yīng)注意的問(wèn)題

1.模型是在一定條件下適用的。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。在現(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，作為一種近似，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。例如，在研究地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，由于地球與太陽(yáng)的平均距離(約14960萬(wàn)千米)比地球半徑(約6370千米)大得多，地球上各點(diǎn)相對(duì)于太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)可以看作是相同的，即地球的形狀、大小可以忽略不計(jì)，這樣就可以把地球當(dāng)作一個(gè)“質(zhì)點(diǎn)”來(lái)處理;但在研究地球自轉(zhuǎn)時(shí)，地球上各點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑不同，地球的形狀、大小不可以忽略，不能把地球當(dāng)作一個(gè)“質(zhì)點(diǎn)”來(lái)處理。

2.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。例如，原子模型的提出就是一個(gè)不斷完善的過(guò)程。起初，人們認(rèn)為原子是不可分的，其英文名稱(chēng)atom的原義，即“不可分割”。直到1897年湯姆生通過(guò)陰極射線實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電子，揭開(kāi)了原子結(jié)構(gòu)的序幕，湯姆生認(rèn)為:原子是一個(gè)球體，正電荷均勻分布在球內(nèi)，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(shuō)明原子是中性的，并能說(shuō)明輻射電磁波形成原子光譜，但解釋不了α粒子散射現(xiàn)象。盧瑟福進(jìn)行了α粒子散射實(shí)驗(yàn)，他認(rèn)為:在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間繞核旋轉(zhuǎn)，這就是盧瑟福的“原子核式結(jié)構(gòu)”模型，此模型可以解釋?duì)亮Ｗ由⑸鋵?shí)驗(yàn)，還可以估算出原子核的大小，但與經(jīng)典電磁理論產(chǎn)生了兩個(gè)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(nèi)容是三條假設(shè)，即能級(jí)假設(shè)、躍遷假設(shè)、軌道假設(shè)。

總之，由于客觀事物具有多樣性，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律往往是非常復(fù)雜的，我們不可能一下子把它們認(rèn)識(shí)清楚。而采用理想化的客體(即物理模型)來(lái)代替實(shí)在的客體，就可以使事物的規(guī)律具有比較簡(jiǎn)單的形式，從而便于去認(rèn)識(shí)和掌握它們。建立正確的物理模型可使我們對(duì)物理本質(zhì)的理解更加細(xì)致深入，對(duì)物理問(wèn)題的分析更加清晰明了。

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