淺議高中物理模型的建構

李艷

【摘要】建構物理模型是人們研究、認識物質世界的一種重要方法，而物理模型的多樣性和復雜性也是物理“難學、難教”重要原因之一。本文通過具體實例闡述兩個問題：一是怎樣科學理解和學習物理模型，二是怎樣應用物理模型解決實際問題。把容易混淆、難以理解、難以記憶的知識變得清晰易懂，從而培養學生的方法意識，促進其知識體系的自我構建，并有效地訓練學生發散思維能力及歸納能力。

【關鍵詞】建構物理模型 科學概念 物理模型類比學習 模型應用

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）04-0163-02

一、物理模型概述

物理學是自然學科的研究基礎，而自然界中任何事物與其他事物之間總存在著千絲萬縷的聯系，并處在不斷的變化中。面對復雜多變的自然界，人們在研究時，總是遵循一個重要的原則，即從簡到繁、先易后難、循序漸進、逐次深入?；谶@樣的思維過程，物理學家創建了“物理模型”。

物理模型是指：物理學所分析的、研究的實際問題很復雜，為了便于分析與研究，常常采用“簡化”的方法，對實際問題進行科學抽象的處理，用一種能反映原物本質特性的理想物質（過程）或假想結構，去描述實際的事物（過程）。這種理想物質（過程）或假想結構稱之為“物理模型”?！拔锢砟Ｐ汀钡慕⑹且粋€創造性過程，對物理模型的認識和理解培養創新能力的過程。在教學中，引導學生正確認識和理解并建立“物理模型”，顯然是培養學生創造性思維和創新能力的良好途徑。

高中階段的物理學習為我們積累了很多物理模型，我們可以將其分類成二類，即一是對象模型，如質點、物體的分子結構、理想氣體、電流、電阻、磁流體發電機、電磁流量計、理想變壓器、原子結構、核結構、導體等等；二是過程模型，如勻速直線運動、勻變速直線及曲線運動、平拋運動、圓周運動、簡諧振動、碰撞、能量轉化過程、光電效應、核變化等。

在教學中，我們希望學生能在特定的情景下，從生動具體的實際問題出發，運用已有知識，根據研究問題的主要特征建立物理模型，并研究與之關聯的物理現象、過程，從而建立相應的物理概念，得出物理規律，形成物理結論。然而，在我們教學的過程中，很多學生學得非常累，經常會出現概念混淆、模型混亂、物理過程分析不清等情況，即使在物理上花費了很多的時間也不能學好。通過多次與學生交流和同事探討，我認為主要存在兩個問題 ，一、沒有徹底理解模型特點，無法構建正確的模型，二是難以應用已有的模型解決問題。

二、物理模型的學習

為了便于學生對物理模型有個清晰的認識，真正的了解本質，在教學過程中，我們一般會用到兩種方法，一是物理概念法；另一個是模型類比法。

2.1物理概念法

課程標準要求學生在高中物理課中“學習終身發展必備的物理基礎知識和技能”。在課程內容上體現“時代性、基礎性、選擇性”。而高中物理教學中，使學生形成概念，掌握規律，并使他們的認識能力在形成概念、掌握規律的過程中得到充分發展，是高中物理教學的核心問題。李政道在回答怎樣才能學好物理這一問題時就曾經強調：學習物理的首要問題是要弄清物理學中的基本概念。

在學習物理模型時，一定要弄清其基本的定義，該定義的條件，該模型的使用范圍，以及使用條件。如下例：

例1 理想氣體是一種氣體模型，是對真實氣體的抽象，其微觀的特點是：①理想氣體分子線度可以忽略不計，即具有一定的質量而沒有大??；②分子之間以及分子與器壁間除了彈性碰撞外無其他作用力。通常不易液化的氣體在壓強不是太大、溫度不是太低的情況下，可視為理想氣體。現有一定質量的氫氣，裝在絕熱密閉的氣缸內，如圖所示，若稍稍向下移動活塞壓縮氣體，則下列敘述符合事實的是（D）。

A.氣體的內能一定增加力時

B.氣體的溫度一定升高

C.氣體分子的平均間距不變

D.氣體壓強一定增加

考題方向：本題要求將實際的氣體抽象成理想化的模型（理想氣體）后進行分析討論，考查了影響物體內能的決定因素、改變物體內能的兩種方法、熱力學第一定律及氣體壓強與溫度、體積的關系等。

定義：嚴格遵從氣態方程（PV=（m/M）RT=nRT）的氣體，叫作理想氣體（Ideal gas，有些書上，指符合氣體三大定律的氣體）。從微觀角度來看是指：分子本身的體積和分子間的作用力都可以忽略不計的氣體，稱為是理想氣體。擴充：

1.分子體積與氣體體積相比可以忽略不計。

2.分子之間沒有相互吸引力。

3.分子之間及分子與器壁之間發生的碰撞不造成動能損失。

4.在容器中，在未碰撞時考慮為作勻速運動，氣體分子碰撞時發生速度交換，無動能損失。

5.解熱學題的時候，簡單的認為是分子熱能為零，分子動能不為零。

6.理想氣體的內能是分子動能之和。

例2 地球是一個龐然大物，直徑約為12800 km，與太陽相距1.5×108 km，研究地球繞太陽的公轉時，能不能把它看成質點？研究地面上各處季節變化時，能不能把它看成質點？

考題方向：本體考察質點及可以視為質點的條件。若研究地球繞太陽公轉時，由于地球本身的大小比地球到太陽的距離小得多，則可以把地球看作質點；但若研究地面上各處季節變化時，則不能把其看作質點。

定義：用來代替物體的有質量的點。

1.質點是一種科學抽象，是一種理想化的模型。

2.質點是對實際物體的近似，這也是物理學中常用的一種重要的研究方法。

3.一個物體能否看成質點，取決于它的形狀和大小在所研究問題中是否可以忽略不計，而跟自身體積的大小、質量的多少和運動速度的大小無關。

4.一個物體能否被看作質點，取決于所研究問題的性質。即使是同一個物體，在研究的問題不同時，有的情況下可以看作質點，而有的情況可能不可以看作質點。

2.2模型類比法

由于物質世界相互聯系的性質使自然界各種現象之間、規律之間存在相似性，同時，物質世界的層次性又決定了現象、規律之間本質的差異性。類比法就是建立在比較和想象的基礎上，根據事物在某些屬性或關系上的相似（或同一），由此及彼，通過對比分析，作出判斷的一種推理方法。物理模型類比就是根據不同物理模型在某些屬性或關系上的相似（或同一）而推導出它們在另一屬性或關系上也可能相似（或同一）的一種推理形式?；谀Ｐ皖惐鹊姆椒☉哂幸韵鲁绦颍?/p>

例1 靜電場和引力場的模型類比教學

例2 在學習電磁波的時候，讓學生聯想已經學過的機械波的特點，以類比的形式組織聯想，思維可以涵蓋機械波、光波、電磁波，強調它們的共性比較它們的異性，訓練學生的推理能力。

從以上的例子可以看出，隨著學生學習的深入，學生掌握的物理知識逐漸形成網絡，當中有知識的橫向式拓寬，也有遞進式的深化。通過橫向擴延和縱向深入，學生的知識和能力就產生質的飛躍，學生的創造性思維發展也就寓于其中了。在這過程中，模型類比是揭示這些知識內在聯系的好方法，通過模型類比，聯想、推理出一系列規律，使學生從學會建立物理模型實現到運用物理模型的飛躍。

三、物理模型的應用

3.1運用物理模型解題的步驟

在教學中，我們希望學生能在特定的情景下，從生動具體的實際問題出發，運用已有知識，根據研究客體的主要特征建立物理模型，并研究與之關聯的物理現象、過程，從而建立相應的物理概念，得出物理規律，形成物理結論。運用物理模型解題的基本程序為：

（1）通過審題，提取題目信息.如：物理現象、物理事實、物理情景、物理狀態、物理過程等。

（2）弄清題目的主要條件。

（3）尋找與已有信息（熟悉的知識、方法、模型）的相似、相近或聯系之處，通過類比聯想或抽象概括或原型啟發，建立起新的物理模型，將新情景問題轉化為常規問題。

（4）選擇相關的物理規律求解。

3.2 典型例題

例1 放風箏時人要拉著繩子奔跑一段距離以獲得升力。一段時間后，風箏靜止在空中。

（1）當風箏在空中處于平衡時，如圖所示關于拉繩和風箏的方向中，最合理的圖應該是（ ）

（2）假設風箏與豎直方向成a=370角，風箏的質量m=0.18kg，面積S=0.125m2，空氣沿水平方向吹向風箏的速度為多少？空氣密度取1.25kg/m2，求繩子應與豎直方向成多少度的角？繩中拉力為多少？（設氣流與風箏的碰撞是完全彈性碰撞，g取10m/S2）

解析：（1）水平方向氣流吹向風箏產生了垂直風箏表面的作用力，風箏要靜止，這個作用力應與重力和拉力的合力為0，只有C圖中三力可以平衡，如圖所示，故選C。

（2）建立一個柱體模型，假設在極短的時間Δt垂直吹到風箏面上的那個極短空氣柱的質量為Δm，則Δm=pΔv=pScosa？淄Δt ①

由題意可知：空氣柱碰撞風箏后以原速率返回，以Δm 的空氣柱為研究對象，受到垂直于風箏的作用力，使垂直風箏方向的動量發生了改變，根據動量定理F'Δt=2Δm？淄cosa ②

由①②得F'=2pS？淄2cos2a

代入數據得F'=20N，根據牛頓第三定律知風箏受到的反作用力大小F=20N 。

∴繩子的拉力T =■ =19N.

設繩與豎直方向的夾角為θ，則sinθ=■=■ 。

∴ θ=arcsin■

技巧點撥：此題首先找出風箏的平衡條件，其次確定空氣的流動對風箏產生的作用力的大小和方向。對氣流、液體流、粒子流等連續問題應取一個柱體模型作為研究對象是解題的關鍵。另外，運用動量定理時應注意方向性，即在垂直于風箏方向的空氣動量發生變化，而沿風箏方向的不變，所以要進行速度的分解。

例2 電磁流量計廣泛應用于測量可導電流體（如污水）在管中的流量（在單位時間內通過管內橫截面的流體的體積）。為了簡化，假設流量計是如圖研所示的橫截面為長方形的一段管道，它的長、寬、高分別為圖中的a、b、c，流量計的兩端與輸送流體的管道相連接（圖中虛線），圖中流量計的上下兩面是金屬材料，前后兩面是絕緣材料。現在流量計所在處加磁感應強度為B的勻強磁場，磁場方向垂直于前后兩面，當導電流體穩定地流經流量計時，在管外將流量計上、下兩表面分別與一串聯了電阻R的電流表的兩端連接，I表示測量的電流值。已知液體的電阻率為ρ，不計電流表的內阻，則可求得流量為：

A. ■=（bR+P■） B. ■=（aR+P■）

C. ■=（cR+P■） D. ■=（R+P■）

解析：題中多處用到等效的思想：①由導電液體的流動建立導體棒切割磁感線的模型；②由在磁場中的流動的液體建立電源的模型；③由管道建立電阻的模型。

等效電動勢：EBL？淄=Bc？淄 等效內阻r=P■

由閉合電路歐姆定律：I=■=■ ①

流量Q= ？淄bc ②

聯立①②兩式得流量Q=■（bR+P■）。

聯想發散：閉合回路中有電流時是一定要有電源的，電源不等同于電池，形式可以是多樣的，如感應電動勢、霍耳效應等等。

四、結束語

在課改中，尤其是在減輕負擔增加效率的背景下，豐富的教學內容與不斷減少的教學時間是一對十分突出的矛盾。以現行“人教版”物理教材為例，教材更為注重點面結合，點，主干知識明確，基礎知識、基本規律一個都不少，面，增加了許多聯系生產生活的實際問題和高新科技內容，使物理知識更貼近生活實際，學生學習物理倍感親切，同時教材也豐富了課程形式，引入了研究性學習、探索性實驗課等等。如何讓學生在較少的課時內，掌握更豐富的物理知識和能力，“概念教學”、“模型類比教學”教學不失為一種有效方法。

學生能夠很好的掌握物理模型，并應用物理模型是學好物理的關鍵，希望本文能夠對廣大物理學習愛好者有所幫助。