物理模型在教學(xué)中的應(yīng)用

李萌

摘要： 任何物理模型都是采用理想化方法，通過對原型客體（具體事物）在一定條件下的合理近似而抽象出同類原型客體的共同性而建立的。它是一個主觀抽象和客觀具體的辨證統(tǒng)一體，具有理想性和客觀性、抽象性和可變性。由此決定了建立和應(yīng)用物理模型的心理機(jī)構(gòu)是想象和遷移，并需要抽象思維與之對應(yīng)。而中學(xué)生的抽象思維還沒達(dá)到定型階段，還不能完全去應(yīng)用，故物理模型在物理教學(xué)中造成了一定難度。因此本文就物理模型在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用作初步探討。

關(guān)鍵詞： 物理模型物理教學(xué)思維方法應(yīng)用

1.緒論

物理學(xué)的研究對象遍及整個物質(zhì)世界，大至天體，小至基本粒子，廣闊無邊。物理學(xué)的目的就在于認(rèn)識自然把握自然。但是自然界中任何事物與其他許多事物之間總是存在著千絲萬縷的聯(lián)系，并處在不斷變化之中。面對復(fù)雜多變的世界，人們在著手研究時，總是遵循一條重要的方法原則，即從簡到繁，先易后難，循序漸進(jìn)，逐次深入。根據(jù)這條原則，人們在處理復(fù)雜的問題時，總是試圖把復(fù)雜的問題分解成若干個比較簡單的問題逐個擊破。

基于這樣的一個思維過程，人們就創(chuàng)建了“物理模型”。物理模型是一種理想化模型，這就要求思維過程具有一定的抽象性。因此在物理教學(xué)中使學(xué)生正確建立和運(yùn)用物理模型，不僅有助于他們學(xué)習(xí)物理知識，更有助于培養(yǎng)他們的抽象思維能力和創(chuàng)新能力。

2.物理模型的概述

物理模型是指：人們?yōu)榱搜芯课锢韱栴}的方便和探討物體事物的本質(zhì)而對研究對象所作的一種簡化的描述或模擬。

（1）物理模型的種類

①實(shí)物物理模型

例如：人們對事務(wù)的認(rèn)識過程，總是從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識。心理學(xué)研究表明，人腦對事務(wù)的認(rèn)識是從表象開始的。這就要求教師在教學(xué)中，要盡量多地將實(shí)物、圖片等展示給學(xué)生，以形成表象基礎(chǔ)。

②理論物理模型

例如：過渡狀態(tài)的勢能面物理模型、近代粒子物理。

③實(shí)體理想物理模型

例如：質(zhì)點(diǎn)、系統(tǒng)、理想氣體、點(diǎn)電荷、勻強(qiáng)磁場、勻強(qiáng)電場。

④過程理想物理模型

例如：等溫、等容、等壓過程；勻速直線運(yùn)動；拋體運(yùn)動簡諧運(yùn)動恒定電流，等等。

（2）物理模型的特征

①抽象性和形象性的統(tǒng)一

②科學(xué)性和假定性的統(tǒng)一

3.如何構(gòu)建物理模型

構(gòu)建模型是科學(xué)研究的基本方法之一，模型在物理學(xué)中也得到了廣泛應(yīng)用。物理模型是物理學(xué)理論體系的基石，物理模型的構(gòu)建當(dāng)然也是物理學(xué)研究的方法之一。只有了解如何構(gòu)建物理模型才能把它更好地應(yīng)用在教學(xué)中。

（1）構(gòu)建物理模型的思維方法

①量綱分析法

②抽象歸納法

③類比法

④理想化方法

⑤構(gòu)造法

⑥等效代換法

⑦微元法與迭代法

例如構(gòu)造法：有些模型在實(shí)際中是根本不存在的，但為了研究問題的方便，我們往往形象地引入一虛擬的物質(zhì)結(jié)構(gòu)或過程。例如為了便于描述光的傳播，我們引入了光線；為了便于描述磁場的方向，我們引入了磁感線。

類比法：人對客觀世界的認(rèn)識，是由表及里、由個別一般的過程。我們在教學(xué)中建立物理模型，必須符合這一規(guī)律。如，在高中物理中，學(xué)生對速度的改變△V、動量的改變△P等矢量的認(rèn)識有一定困難。為了降低學(xué)生接受知識的難度，我們先建立在同一直線上的矢量減法模型。如某物體原來的速度為V，后來的速度為V，則速度的改變△V=V-V，我們可引導(dǎo)學(xué)生這樣建立模型：將表示V、V的有向線段的始端共點(diǎn)，則從V的箭端指向V的箭端的有向線段表示了△V（如圖1、2所示）再引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)：當(dāng)V、V不在一直線上時，上述法則仍然成立（如圖3）。這樣，就可以輕易地建立起矢量三角形模型。

構(gòu)建物理模型的方法很多，這里只列舉兩種，無論哪種方法都可以幫助學(xué)生去體會及應(yīng)用到具體教學(xué)中，使復(fù)雜的問題簡單化。

（2）構(gòu)建物理模型的實(shí)踐方法

為了增強(qiáng)學(xué)生對知識的感性認(rèn)識，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，構(gòu)建好物理模型是非常重要的。這樣能讓學(xué)生感受到實(shí)在的物理知識，產(chǎn)生一種物理就在身邊的親切感。在具體教學(xué)課堂中也可通過下述方法幫助學(xué)生建立物理模型。

①通過實(shí)驗建立

②運(yùn)用現(xiàn)實(shí)生活例子建立

③通過課件模擬建立

物理學(xué)是一門實(shí)驗科學(xué)，觀察和實(shí)驗是研究物理學(xué)的根本方法。實(shí)驗是連接認(rèn)識的主體和客體的紐帶。實(shí)驗首先為物理概念和規(guī)律的建立奠定了表象基礎(chǔ)，在學(xué)生的腦海中形成了一個個具體形象的物理模型，更為重要的是通過有目的的實(shí)驗，可以引導(dǎo)學(xué)生由抽象思維形成具有思維特征的物理模型。

有些物理概念和規(guī)律，學(xué)生在生活中很少感知，那么在主體和認(rèn)識客體間就缺少必要的中介物。例如：在講電和磁的關(guān)系時，只有做好實(shí)驗，學(xué)生才能發(fā)現(xiàn)、理解電生磁、磁生電、磁場對電流有作用等物理現(xiàn)象，形成清晰的物理模型。

學(xué)生頭腦中有時積累了一些感性材料、生活經(jīng)驗，但有些經(jīng)驗是模糊的，動搖的，甚至是錯誤的。這就要求教師在教學(xué)中進(jìn)行生動演示，突出主要部分，使模糊的得以清晰，對錯誤的加以改正。例如：學(xué)生根據(jù)自己的生活經(jīng)驗對運(yùn)動和力有些模糊的認(rèn)識。在教學(xué)中就要做好斜面小車實(shí)驗，分析實(shí)驗，推出牛頓第一定律，在這個基礎(chǔ)上才能更好理解運(yùn)動和力的關(guān)系，在頭腦中形成關(guān)于運(yùn)動和力的關(guān)系的正確模型。

當(dāng)然，建立物理模型的方法是很多的，我們在教學(xué)過程中，應(yīng)根據(jù)知識特點(diǎn)和學(xué)生特點(diǎn)作出適當(dāng)?shù)倪x擇。值得一提的是，在教學(xué)過程中，如果我們采用多媒體教學(xué)手段去建立物理模型，將會使模型更形象化、生動化，更能幫助學(xué)生加深理解，從而更好地達(dá)到我們的教學(xué)目的。

4.物理模型在教學(xué)中的應(yīng)用

通過上述介紹了什么是物理模型，如何構(gòu)建物理模型等知識，從而進(jìn)一步對物理模型在教學(xué)中的應(yīng)用作深入的探討。

（1）物理模型在物理概念教學(xué)中的應(yīng)用

在物理學(xué)中，有很多的概念都是以理想化模型為對象建立起來的。例如：質(zhì)點(diǎn)、單擺、點(diǎn)電荷、理想氣體，等等。比如在“單擺”的教學(xué)中，同學(xué)們都知道在生活中經(jīng)常可以看到懸掛起來的物體在豎直平面內(nèi)做擺動，那么擺動屬于一種什么運(yùn)動呢？這就引入了實(shí)際擺的理想化物理模型——單擺。如果懸掛小球的細(xì)線的伸縮和質(zhì)量可以忽略，線長又比球的直徑大的多，這樣的裝置就叫做單擺。從而自然地引入了“單擺”的概念。

通過這個例子可以看出，當(dāng)學(xué)生很難把握一些物理概念時，建立相應(yīng)的概念模型是一種非常有效的思維形式，這樣能夠使學(xué)生很容易并且充分地理解物理概念。

（2）物理模型在物理規(guī)律教學(xué)中的應(yīng)用

探索物理規(guī)律，是以抽象思維結(jié)合的教學(xué)手段，引導(dǎo)學(xué)生通過科學(xué)抽象和概括，將具體的復(fù)雜的物理過程，用簡化的模型來代替，突出主要矛盾，簡化問題，從而便于研究物體的主要性質(zhì)，便于找出其中的主要規(guī)律。

如“牛頓第一定律”的發(fā)現(xiàn)，在最早時人們普遍認(rèn)為力是維持物體運(yùn)動的原因，用力推車子，車子才前進(jìn)，停止用力，車子就要停下來。然而，一直到17世紀(jì)伽利略才根據(jù)實(shí)驗推出：在水平面上運(yùn)動的物體所以會停下來是因為受到摩擦阻力的緣故。設(shè)想沒有摩擦，一切物體具有某一速度，物體將保持這個速度繼續(xù)運(yùn)動下去。伽利略的實(shí)驗雖然是理想中的實(shí)驗，但它是建立在可靠的事實(shí)為基礎(chǔ)，經(jīng)過抽象思維抓住主要因素，忽略次要因素，從而更深刻地揭示了自然規(guī)律。正是因為這樣，牛頓在伽利略等人的研究基礎(chǔ)上根據(jù)自己的研究系統(tǒng)地總結(jié)了力學(xué)的知識，提出了“牛頓第一定律”，即一切物體總保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。

在物理教學(xué)中，很多的物理規(guī)律也是通過物理模型而總結(jié)概括的，這樣忽略了次要因素，抓住主要因素，通過科學(xué)抽象總結(jié)出物理規(guī)律。

（3）物理模型在解決應(yīng)用型物理問題中的應(yīng)用

應(yīng)用性物理問題是直接取材于生產(chǎn)、生活及大自然，通過簡單的加工而成的。與物理教材中常見的抽象問題相比有較大的區(qū)別。解決這類問題的關(guān)鍵就在于把生活中的原理正確地轉(zhuǎn)換成物理模型。

例如：在“原子的核式結(jié)構(gòu)”的教學(xué)中，最早人們認(rèn)為電子是原子的組成部分，直到1911年物理學(xué)家盧瑟福和他的助手們進(jìn)行了α粒子散射的實(shí)驗。用α射線照射金箔，由于金原子中的帶電微粒對α粒子有庫侖力的作用，一些α粒子穿過金箔后會改變原來的運(yùn)動方向，這個現(xiàn)象叫做α粒子的散射。盧瑟福希望通過對散射的分析來了解原子內(nèi)部電荷與質(zhì)量的分布情況。實(shí)驗的結(jié)果是，絕大多數(shù)α粒子發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)。實(shí)驗觀察到的現(xiàn)象使盧瑟福感到十分驚奇，于是他精確統(tǒng)計了向各個方向散射的α粒子的數(shù)目，在此基礎(chǔ)上提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型即：在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，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)電的電子在核外的空間運(yùn)動。

運(yùn)用物理模型可以使復(fù)雜的問題簡單化，就像上個例子一樣，結(jié)合物理模型來講原子結(jié)構(gòu)知識就把問題簡單化了，從而能夠使學(xué)生更好地理解。

（4）物理模型在解答物理問題中的應(yīng)用

解題過程其實(shí)就是還原擬題者物理模型的過程。我們需要把題目中的物理過程和物體簡化成理想模型。事實(shí)告訴我們，千變?nèi)f化的物理習(xí)題都是根據(jù)一定的物理模型建立的。

例如：如圖所示，圓弧AO表示一個光滑凹圓槽的橫截面，它所對的圓心角小于5，試比較小球從槽中1、2位置靜止釋放運(yùn)動到O點(diǎn)的時間？解題過程可歸納如下：

①讀題，確定研究對象。首先要把習(xí)題的主要內(nèi)容看懂，不要因為馬虎等原因落讀任何一條信息；其次確定此題要研究的對象為圓弧AO，以及小球1、2。

②確定研究對象的實(shí)體物理模型。根據(jù)題設(shè)條件分析小球運(yùn)動的受力情況得出，它和單擺擺球運(yùn)動時的受力情況相似（支持力和擺球的拉力等效）。所以，可以看成單擺模型來研究分析。

③以實(shí)體模型和習(xí)題給出的已知條件，待求量出發(fā)確定研究對象狀態(tài)變化的過程模型。在滿足題設(shè)條件下，小球從圖中1或2位置運(yùn)動到O點(diǎn)的情況和單擺在做簡諧運(yùn)動在4周期內(nèi)擺球從振幅運(yùn)動至平衡位置情形相同。

④通過推理計算最后把整個問題全分析完之后，我們就可以將待求問題轉(zhuǎn)換為熟悉的單擺運(yùn)動模型。小球運(yùn)動至O點(diǎn)的時間與振幅無關(guān)，即與小球運(yùn)動的初始位置1或2無關(guān)。

通過上面這道題可以看出，解答物理習(xí)題的過程就是對所研究的問題構(gòu)成模型、分析模型、計算模型的過程。通過這一個例子就可以舉一反三，從而使學(xué)生掌握解題技巧，提高解題效率。

5.課題研究的成果、意義

本文通過對物理模型的概述和了解構(gòu)建物理模型的分類方法，以及物理模型在教學(xué)中的一些應(yīng)用，從而得出了物理模型在物理教學(xué)中應(yīng)用上的一些思想、方法和規(guī)律。在中學(xué)物理教學(xué)中，能夠循序漸進(jìn)地啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生合理建立、應(yīng)用物理模型，處理比較復(fù)雜的物理問題，熟悉并掌握這種科學(xué)研究的思維方法，養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣，也能夠使學(xué)生加深對物理概念和規(guī)律的理解，提高解題技巧，并且可以培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。此課題在教學(xué)法理論的構(gòu)建上，也體現(xiàn)了理論教學(xué)規(guī)律的認(rèn)識。

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