談物理模型在物理學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

毛國(guó)方

摘 要：本文從基礎(chǔ)物理模型的積累、新建物理模型、實(shí)現(xiàn)模型的遷移入手，結(jié)合具體實(shí)例說明了物理模型在應(yīng)用的過程中要注意其內(nèi)在的本質(zhì)和雷同模型間的區(qū)別，對(duì)復(fù)雜物理問題要學(xué)會(huì)物理模型的整合，從而有效提高物理學(xué)習(xí)的能力。

關(guān)鍵詞：物理模型；基礎(chǔ)；遷移；綜合

中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1992-7711（2016）17-084-1

物理源自于生活，但生活又往往是錯(cuò)綜復(fù)雜，它們之間又互相聯(lián)系，互相制約。在實(shí)際規(guī)律的研究過程中，對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行抽象化處理，保留主要因素，略去次要因素，得到一種能反映原物質(zhì)本質(zhì)特性的理想的物質(zhì)（過程）或假想結(jié)構(gòu)，此即為物理模型。能迅速、準(zhǔn)確地建立物理模型是處理物理問題的前提和基礎(chǔ)。使學(xué)生積累一些基本物理模型，掌握建立物理模型的一些基本方法，準(zhǔn)確把握物理模型的內(nèi)涵，認(rèn)清復(fù)雜問題的物理模型的整合，可以快速理清物理問題的本質(zhì)，提高學(xué)生處理實(shí)際問題的能力。

一、積累各種基礎(chǔ)物理模型

1.將抽象問題具體化的模型。

通過建立物理模型可以使一些看不見、摸不著的客觀事物變得具體化、形象化，從而便于指示它的特征，研究它的變化規(guī)律。例如，人們?cè)诿枋龃艌?chǎng)時(shí)，引入了磁感線模型。磁感線并不是磁場(chǎng)中實(shí)際存在的曲線，而是一系列假想出來的曲線。雖說是假想，但是這些曲線并不是人們憑主觀愿望臆造出來的，是人們通過在磁鐵周圍灑上鐵屑，觀察鐵屑的分布特點(diǎn)，得出磁場(chǎng)的性質(zhì)，從而“模擬”出那樣的磁感線，這樣就便于人們研究磁場(chǎng)的各種性質(zhì)。此外，高中物理中的“光線”、“電場(chǎng)線”都是該種將抽象化事物變得具體的物理模型。

2.將復(fù)雜問題簡(jiǎn)化或理想化的模型。

將比較復(fù)雜的實(shí)際問題進(jìn)行簡(jiǎn)化或理想化，從而建立起理想化物理模型。例如，研究地球繞太陽的公轉(zhuǎn)速率，就可忽略地球的大小和形狀而抽象為只有質(zhì)量和位置的“質(zhì)點(diǎn)”。這些理想化的物理模型是人們?cè)陂L(zhǎng)期的生產(chǎn)、生活以及科研活動(dòng)中概括、總結(jié)出來的經(jīng)典模型。

二、利用已有模型建立新的物理模型

有些物理現(xiàn)象、規(guī)律，我們無法直接展示，比較抽象，這時(shí)如果我們用已有的物理模型作類比，可以幫助學(xué)生建立新的合理的物理模型。

例如：對(duì)于分子間的作用力，其引力和斥力是同時(shí)存在的，但有時(shí)引力大于斥力，有時(shí)引力等于斥力，有時(shí)引力小于斥力。教學(xué)中為了讓學(xué)生形象地理解這一知識(shí)，可引入這樣一物理模型作類比：一彈簧一端各有一個(gè)小球，當(dāng)彈簧處于自然狀態(tài)時(shí)，相當(dāng)于分子處于平衡位置距離，引力等于斥力；當(dāng)彈簧被拉長(zhǎng)時(shí)，相當(dāng)于分子距離大于平衡位置距離，引力大于斥力，表現(xiàn)為引力；當(dāng)彈簧被壓縮時(shí)，相當(dāng)于分子距離小于平衡位置距離，引力小于斥力，表現(xiàn)為斥力。

三、準(zhǔn)確把握物理模型的內(nèi)涵

要對(duì)事物形成理性的認(rèn)識(shí)，往往要經(jīng)歷一個(gè)過程。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生在頭腦中形成了一定的物理模型，但往往有把握不準(zhǔn)的

問題。及時(shí)地舉例、練習(xí)、矯正，幫助學(xué)生準(zhǔn)確地把握物理模型。

例1：2012年8月7日倫敦奧運(yùn)會(huì)體操男子單桿決賽，荷蘭選手宗德蘭德榮獲冠軍.若他的質(zhì)量為60kg，做“雙臂大回環(huán)”，用雙手抓住單杠，伸展身體，以單杠為軸做圓周運(yùn)動(dòng).此過程中，運(yùn)動(dòng)員到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)手臂受的總拉力至少約為多大？（忽略空氣阻力，g=10m/s2）

分析：本題的物理模型是物體在豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)，而該模型研究物體通過最高點(diǎn)時(shí)有三種情況，一是繩子模型，只能提供向下的拉力；二是拱形橋模型，只能提供向上的支持力；三是硬桿模型，既能提供向下的拉力，又提供向上的支持力。分析本題給出的情景，人的手臂在人處于最高點(diǎn)時(shí)可以支撐，屬于硬桿模型，所以在最高點(diǎn)的速度可以為零。

三、加強(qiáng)物理模型的整合

復(fù)雜問題一般是簡(jiǎn)單問題的綜合，教學(xué)中教師要有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生對(duì)各物理模型進(jìn)行分類，比較，形成系統(tǒng)完整的知識(shí)體系。同時(shí)，在應(yīng)用注意物理模型的整合，從而構(gòu)建條理清晰的物理圖景。

例2：如圖所示，MN、PQ是間距為L(zhǎng)的平行金屬導(dǎo)軌，置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，方向垂直導(dǎo)軌所在平面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，M、P間接有一阻值為R的電阻.一根與導(dǎo)軌接觸良好、有效阻值為R2的金屬導(dǎo)線ab垂直導(dǎo)軌放置，并在水平外力F的作用下以速度v向右勻速運(yùn)動(dòng)，則（不計(jì)導(dǎo)軌電阻）（ ）.

A.通過電阻R的電流方向?yàn)镻→R→M

B.a、b兩點(diǎn)間的電壓為BLv

C.a端電勢(shì)比b端高

D.外力F做的功等于電阻R上發(fā)出的焦耳熱

分析：本題的模型可以看成是兩個(gè)簡(jiǎn)單模型的合成，一是導(dǎo)體棒在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁感線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)模型，導(dǎo)線ab向右勻速運(yùn)動(dòng)，就相當(dāng)于是一個(gè)電源；二是閉合電路模型，ab相當(dāng)于電源，ab電阻相當(dāng)于電源的內(nèi)阻，電阻R相當(dāng)于外電路的電阻。

通過對(duì)各個(gè)物理模型的積累、比較、總結(jié)，可以使學(xué)生頭腦中的各個(gè)物理模型更加清晰，形成較完整的物理模型體系，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生善于總結(jié)物理現(xiàn)象、規(guī)律中的異同的能力，為學(xué)生在解決實(shí)際問題時(shí)練就“去偽存真、去粗取精”的能力奠定了基礎(chǔ)。