淺談高中物理模型的類型和建立方法

胡寶

【摘要】物理學是研究物質運動規律的學科，而實際的物理現象和物理規律一般都是十分復雜的，涉及到許多因素。舍棄次要因素，抓住主要因素，從而突出客觀事物的本質特征，這就叫構建物理模型。構建物理模型是一種研究問題的科學的思維方法.從本質上講，分析和解答物理問題的過程，就是構建物理模型的過程。

【關鍵詞】物理模型 ?物理教學

物理學是研究物質運動規律的學科，而實際的物理現象和物理規律一般都是十分復雜的，涉及到許多因素。舍棄次要因素，抓住主要因素，從而突出客觀事物的本質特征，這就叫構建物理模型。構建物理模型是一種研究問題的科學的思維方法.從本質上講，分析和解答物理問題的過程，就是構建物理模型的過程。

在物理學習中我們可以把物理模型分為三類，即實體物理模型，狀態物理模型和過程物理模型。

1：實體物理模型。實體物理模型又分為三類：物質模型，系統模型，結構模型。

物質模型：這種模型是建立在客觀實體基礎上的，是根據所討論的物理問題的性質和需要，把客觀實體理想化。其原型是實際的物體，其任務是反映事物的表象，要素和性質。例如：質點，理想流體，理想氣體，點電荷，點光源。

系統模型：在物理學中，系統是泛指相互作用的對象的全體。他的根本特征是把原型當作一個有普遍聯系，相互作用的有機整體，他把研究單個實體轉向因素眾多的整體系統。如力學系統，保守力系統，熱力學系統，等等。系統模型可以使我們在研究某些物體間的相互作用是，忽略其他物體對他們的影響，物理學中的定理定律問題等，都是建立在系統物理模型基礎上的。

結構模型：在研究復雜的物理問題時，涉及到多個要素，盡管要素是構成系統的物質基礎，但最終支配這些要素，決定系統特性的是系統的整個結構。如盧瑟福原子模型，J.J湯姆遜棗糕式模型等等。

2：狀態物理模型 ?物理學是一門定量的科學。馬克思曾說過：“一種科學只有在它成功地運用數學時，才算達到了真正完善的地步。”因此，物理學不但要有實體模型，還有有能在數量上表現實體模型的運動變化，即實體所處狀態的狀態模型。所謂狀態模型就是用狀態參量描寫實體物理模型所處的狀態。在中學物理中的狀態參量有：算術量（如體積，質量，動能），代數量（如勢能，溫度等）幾何量（如力，速度，加速度等）。一個狀態往往是由幾個狀態參量的集合來表征的。如運動學中的勻速直線運動是由位移，速度，時間三個量描寫的;理想氣體狀態是用壓強，體積，溫度三個參量描寫的。電路狀態是由電流，電阻，電壓三個參量描寫的;這樣，在確定了物體所處的狀態之后，我們就可以確定一組來描寫所研究模型的狀態。狀態模型是對實際物理模型的進一步抽象，這使得對物理現象的定量描述有了可能。在中學物理中廣泛使用的圖線和圖像，就是狀態物理模型的一種直觀描述。如在以狀態參量為坐標軸而建立的坐標系中，一個物理狀態就可以由坐標系中的一個點來表示，確定這個點的過程，就是確定物體所處狀態的過程。

3：過程物理模型 ?自然界中各種物理現象的變化過程是極其錯綜復雜的，為了突出事物變化過程的主要因素，就需要把物理過程理想化，從而建立過程物理模型。如熱學中的等溫過程，等壓過程，等容過程，絕熱過程;在力學中所說的過程即為運動如勻速直線運動，勻變速直線運動，簡諧運動等。描寫物理形象變化過程的數學解析式就是過程方程，如氣體狀態方程，牛頓運動定律以及一些方程組。當然過程物理模型也可以用圖形直觀的表示出來，在坐標系中由狀態變量構成的點表示了狀態物理模型，這些狀態點連成的軌跡就是過程物理模型的直觀表述。

高中物理模型實際的建模方法多種多樣。模型的構建，需采用對應的方法。實際物理建模時，使用什么樣的建模方法，應根據物理原型本身的性質和建模的具體需要來決定物理模型的構建，常用方法如下。

1、量綱分析法：在物理模型構建時，可以利用量綱分析法來找到相關物理量間的相互關系，從而構建出相應的物理模型，如單擺周期模型。

2、科學抽象法：抽象是指從具體事物中提煉出某個或某些方面、某些屬性等.如隔離法確定研究對象、天體做勻速圓周運動、理想彈簧模型。

3、理想化法：是對研究對象或物理過程加以簡化，抓住主要因素，忽略次要因素，找出它們在理想狀況下所遵循的基本規律，并構建出相應的物理模型.如剛體、輕桿、平動運動、理想氣體模型、伽利略斜面實驗等。

4、類比法：許多物理現象彼此之間存在著許多相同或相似的物理屬性，人們由此推測它們之間也存在著一些另外的共性.如光與聲具有反射、折射等屬性，惠更斯據此提出了光的波動模型;微觀粒子與光一樣具有粒子性，德布羅意建立了物質波模型;盧瑟福根據原子結構與太陽系類似，建立起了原子的行星結構模型。

5、等效替代法：當所研究的物理問題比較隱蔽、復雜、難于直接研究時，可以用等效替代法建立起相應的比較簡單、易于研究的等效物理模型，可分為過程等效替換（帶電粒子在勻強電場中的類平拋運動）、作用等效替換（運動的合成與分解）、等效結構（彈簧振子和LC振蕩電路）等等。

6、微元法：在構建物理模型時，將研究對象或物理過程視作由許多微小體或元過程組成，而所研究的對象或物理過程整體所遵循的物理規律，可通過積分來得到，如勻變速運動的位移公式。

7、假想法：當所研究的物理現象不能直接觀察，或現有的物質、實驗條件還不能進行真實模擬時，人們可根據已知的物理原理、物理規律對所研究的物理現象提出一種假定性的推測和說明，從而建立起相應的物理模型，如牛頓第一定律、機械能守恒定律等。