物理模型的應用及使用范圍

【摘要】本文先對原子結構模型的發展史作了簡單介紹讓大家清楚模型演變過程的復雜性和艱巨性，體會其中的科學精神及人文精神.再介紹物理模型在科學認識及中學物理教學中的作用，在此基礎上分析了模型法教學的優點以及它的注意點。

【關鍵詞】物理模型 原子模型 教學 優點

【中圖分類號】G633.7【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）12-0180-02

物理模型是理論知識的一種初級形式，理論的研究實際上就是對模型的研究。綜觀物理學發展的歷史，可以說就是不斷提出物理模型，并且是新的模型不斷完善舊模型或者代替舊模型的歷史。一種模型代表了人類對原子結構認識的一個階段，下面幾種原子結構模型最具有代表性，由遠及近作一次回顧：

道爾頓原子結構模型

1803年， 英國化學家道爾頓提出了自己的原子學說，他認為組成物質的最基本微粒是原子，原子是一個個不可見的實心球體，它們堅實的，不可分割的，既不能消滅，也不能創生同種原子的質量、體積、性質相同，不同種原子的質量、體積、性質不同，化學反應就是原子重新組合的過程道爾頓的理論被后人稱之為“實心球模型”。

湯姆生原子結構模型

1904年英國物理學家湯姆生在原子結構理論中引入了靜電的概念他認為原子是一個平均分布著正電荷的粒子，其中鑲嵌著若干個帶負電荷的電子，就像糕點中分布著一個個紅棗那樣，這些電子中和了正電荷，從而形成了中性原子。湯姆生的理論被后人稱作“棗糕式模型”。

盧瑟福原子結構模型

1911年英國物理學家盧瑟福讓高速的粒子流穿越金箔，發現絕大多數粒子可以順利通過，但約有萬分之一的粒子發生偏轉甚至被彈回盧瑟福據此推測和計算指出在原子的中心有一個帶正電荷的核，它的質量幾乎等于原子的全部質量，原子核的半徑約為原子的十萬分之一，體積只占整個原子的幾千億分之一若干個電子在核的周圍沿著不同的軌道運轉，就像行星圍繞太陽運轉一樣，所以后人稱盧瑟福的原子結構理論為“天體模型”。

玻爾原子結構模型

1913年，丹麥物理學家玻爾應用量子學說發表了他對原子結構的見解玻爾認為電子在原子核外空間的一定軌道上作高速圓周運動，不同軌道中的電子具有不同的能量當電子由高能量軌道“躍遷”到另一個低能量軌道的時候，就會釋放出一定的能量玻爾還推導出了計算電子躍遷時釋放能量的公式，這就是人們所說的“玻爾模型”電子云模型。

從盧瑟福模型到玻爾模型等新舊模型的更迭，說明物理模型是在實踐中是逐步發展進化的。實際上，各種物理模型都不是凝固不變的。物理模型是人類認識未知世界的成果的結晶，必然受實踐的制約，又必須在實踐中發展和接受考驗。針對層出不窮的新的科學發現中涌現的問題中，人們可以采用不同的方法，創造出不同的模型，然后通過實驗進行篩選和修正，使模型從不完善走向完善。

物理模型在科學認識中的應用

1.解釋事物或現象原應

物理模型和事物原型基本的關系為從原型出發對其簡化和純化后抽象出物理模型；反過來物理模型可為原型提供解釋的演繹系統。

2.建立或證明物理理論

物理模型和理論（假設）之間基本的邏輯聯系是從對模型的研究出發可建立（或證明）理論，從而認識事物中所蘊涵的物理規律，得出符合事物實際的結果（近似結果）；反過來，從理論（假設）出發，也可歸納出物理模型。

物理模型教學的優點

1.可以培養學生分析問題的能力

中學物理課堂上所研究的對象有很多都是理想模型，中學物理規律都和一定的理想模型相聯系，“理想推理法”是中學物理課堂上的重要研究方法。例如，學生在學習“牛頓第一定律”的時候，學生在觀察小車在不同表面上運動后的距離后，教師引導學生思考“當小車在光滑表面上運動（不受摩擦力），小車會怎么運動”，從而得出“一切物體在不受力情況下，運動狀態不變”這一定律。再比如，在研究“真空不能傳聲” 的時候，真空條件在我們中學課堂上是達不到的，所以，教師在學生觀察過“瓶內氣體越少聽到的聲音越小”這一現象后引導學生思考“瓶內真空狀態我們能不能聽到聲音呢？”從而得出“真空不能傳聲”。學生的分析能力的培養是物理教師教學的重要目的之一，而物理理想模型教學有利于這一目的的實現。

2.可以提高學生理解和接受新知識的能力

例如，學生在學習《走進分子世界》這一節的時候我們建立了物質結構模型，把抽象事物形象化。這樣，學生對微粒就有一個比較形象的認識，為接下來分子動理論學習打好了基礎，且學生容易理解和接受分子這一概念。

3.對物理實體進行理想化處理，可近似解決實際問題

例如，在下落的物體進行受力分析時我們都會忽略空氣阻力，因為相對于物體重力來說空氣阻力是很小的，對物體下落的實際情況影響很小。再比如，在研究滑輪組做功的機械效率的時候，我們都會忽略繩重和繩與滑輪之間的摩擦，因為相對于物體和動滑輪重力來說繩重和繩與滑輪之間的摩擦是很小的，可以忽略。所以，這樣理想化處理問題對實際情況影響很小，而且簡便了很多。

物理模型教學的注意點

1.建立合適模型的關鍵是對物理狀態和過程的分析

有些物理問題中的研究對象及其經歷的過程比較明朗，很容易辨認出它們所對應的物理模型，這種問題比較容易下手。但往往有不少物理問題，其研究對象及經歷的過程比較隱蔽，不能一下子察覺或判定。這樣建立一個合適的模型，就必須對題意認真分析。所謂審題，許多情況中實際上就是選擇合適模型的過程。通過對研究對象的受力情況、狀態特征以及運動變化過程的分析，區分各種因素的主次關系，結合物理規律，才能選擇出一個合適的模型。

2.注意相似模型間的區別和不同模型間的適用條件

在中學物理當中，有許多物理模型的“外形”相似，實質不同，必須注意區分。

例如，繩和桿是常見的兩種相似模型，它們的差別主要是：繩子只能施出拉力，拉力的方向必定沿著繩的方向；桿不僅能施出拉力，也能施出推力，拉力和推力的方向不一定沿著桿子。由于它們的約束特性不同，因此在具體問題中的力學條件也不同。

每個物理模型都有它適用的條件。使用中應檢查所抽象的物理模型與題設是否相符，否則會發生錯誤。

總之，物理模型的建立和發展給物理教學與研究帶來了諸多的方便，但同時也表現出一定的局限性。今后，在物理教學中，如何建立和正確使用物理模型仍是值得我們研究的一項重要課題。

參考文獻：

[1]馮一兵.淺談物理模型在教學中的優點及局限性物理.物理與工程，2007/04

[2]梁紫山.物理學習中的模型與建模.教育革新，2007/05

[3]馬占元.談中學物理中的理想化模型.青海師專學報，2006/52

[4]董井林，魏海波. 天體運動中的六種模型.中學物理教學參考，2006/11

[5]王溢然.模型.大象出版社，1999