淺議高中物理模型方法

摘要：做任何事情，都要講究方法。采用好的方法，可以事半功倍，而方法不當，往往就會事倍功半。中學生學習物理的基本方法有多種，如觀察法、實驗法、模型法、等效法、類比法和數(shù)學法等。本文側(cè)重簡介模型方法、探析學生掌握這種方法的心理優(yōu)勢與障礙，論述教師如何點撥學生掌握這種方法。

關(guān)鍵詞：方法簡介；分析；方法

一、 物理模型方法簡介

1. 物理模型與作用。物理模型含理想模型和“假設(shè)”模型。物理的模型排除了非本質(zhì)因素的干擾，舍棄了次要因素和無關(guān)因素，突出的反映出事物客觀的本質(zhì)特征，從而使物理現(xiàn)象或者物理過程得到簡單化和理想化。

2. 物理模型的類型包括：①實體物理模型：a. 物質(zhì)模型，把客觀實體理想化，如質(zhì)點、點電荷、點光源等。b. 系統(tǒng)模型，如“力學系統(tǒng)”“保守力系統(tǒng)”和“熱力學系統(tǒng)”等。c. 結(jié)構(gòu)模型，如盧瑟福原子模型、教具圖表、線路圖、電場和磁場的模型。②狀態(tài)物理模型。運動學中的勻速直線運動狀態(tài)由位移、速度、時間三個量描寫；理想氣體狀態(tài)由壓強、體積、溫度三個參量描寫；電路狀態(tài)則是用電流、電壓、電阻三個量表征等等，我們可以確定一組參量來描寫所研究模型的狀態(tài)。在中學物理中廣泛使用圖線和圖像，就是狀態(tài)物理模型的一種直觀描述。③過程物理模型。如熱學中的等溫、等壓、等容、絕熱過程。力學所說的過程即可以稱為運動，如勻變速直線運動、簡諧運動等等。描寫物理現(xiàn)象變化的過程數(shù)學解析式是過程方程，如氣體狀態(tài)方程、牛頓運動定律和描寫勻變速直線運動規(guī)律的運動學三個公式等，過程物理模型也可用圖形直觀地表示出來。

二、 學生掌握物理模型方法的心理優(yōu)勢與障礙分析

1. 數(shù)學模型方法對學生掌握物理模型方法的影響。物理模型方法和數(shù)學模型方法有密切的聯(lián)系。例如數(shù)學上有幾何點模型，物理上有點電荷、點光源、質(zhì)點等模型。物理模型與數(shù)學模型之間又存在著本質(zhì)的區(qū)別。如，數(shù)學上的幾何點僅是一種空間形式，是絕對的；而點電荷是攜帶電荷的空間形式，它的成立與否是相對的。又如數(shù)學上的無限概念都是描寫抽象的數(shù)形，而物理上的無限概念卻是描寫具體物理量。又如數(shù)學上的無限可分是指可以連續(xù)均勻可分的，而物理上的可分性是有層次的。因此，在學生掌握物理模型方法時，要充分利用數(shù)學模型對物理模型正遷移的心理作用，注意克服負遷移影響，注意物理模型與數(shù)學模型的區(qū)別和聯(lián)系，以及它們之間的轉(zhuǎn)換。

2. 化學模型對物理模型的互補作用。化學和物理都講原子核式結(jié)構(gòu)模型，化學上作為重點又講了核外電子的統(tǒng)計分布情況——電子云。物理中重點是講核內(nèi)，如原子核的組成、核反應(yīng)等，在學習物理模型時，要結(jié)合化學模型、數(shù)學模型等，搞清楚它們之間的區(qū)別與聯(lián)系，充分利用它們之間的互補作用。

3. 學生在運用物理模型方法中常見的錯誤分析。①選定研究對象對應(yīng)的實體物理模型中常出現(xiàn)的錯誤。圖1中的木球可當作質(zhì)點，圖2中的木球只能當作剛體模型來處理。在中學物理的力學中，剛體模型、彈性體模型和范性體模型則是隱含在課本內(nèi)容之中的。圖3是在物體可作為質(zhì)點模型處理時的受力圖，圖4是根據(jù)剛體平衡（合力為零，且對任一點合力矩為零）作出的。②確定研究對象所處的狀態(tài)物理模型上的錯誤。例如理想氣體狀態(tài)方程的推導(dǎo)，學生盡管學完了等壓、等容、等溫三個過程的規(guī)律，但在處理這個問

題時，往往不知如何下手，實際上初、末狀態(tài)都是平衡狀態(tài)，在這兩個平衡狀態(tài)中三個參量的關(guān)系跟中間過程無關(guān)，可在已知的等壓、等容、等溫三個過程規(guī)律中任選兩個，推出理想氣體狀態(tài)方程。③選擇研究對象所處狀態(tài)的變化過程的物理模型（過程物理模型）出現(xiàn)錯誤。如圖5，一個半徑很大的半圓形光滑軌道，半徑為R，現(xiàn)讓兩個小球同時分別從圓心點O自由下落和軌道上的某點B（B點離軌道最低點很近）釋放，問兩個小球誰先到達軌道最低點。此題研究對象的實體物理模型都可看作質(zhì)點；其狀態(tài)物理模型也能確定，開始都是靜止，最后都到達軌道最低點，但其過程是一個什么模型，卻并不那么容易確定。B點小球的運動，正是單擺簡諧運動的一種變式，如果學生適應(yīng)不了這種變式，就出現(xiàn)了運用單擺這一模型的障礙，t1=T/4=π/2·（R/g）12=1.57（R/g）12，而O點自由下落的時間t2=2R/g12=1.414（R/g）12

4. 思維的靈活性對學生掌握物理模型方法的影響。同一客體，研究問題性質(zhì)不同，其建立的物理模型不同，這就需要學生打破僵化的思維模式，對具體問題具體分析。

三、 如何指導(dǎo)學生掌握物理模型方法

1. 指導(dǎo)學生正確認識物理模型的近似性和局限性。

2. 指導(dǎo)學生學習教材中已明確提出或隱含的物理模型。明確提出“模型”二字的，如質(zhì)點。沒有明確提出“模型”二字的，但卻有內(nèi)在的模型，如光滑面，彈性體、范性體、電介質(zhì)等。理想氣體的等壓、等容、等溫等過程，勻速直線運動、自由落體運動、勻變速直線運動都是理想化的物理模型。

當然，也并不是所有的物理概念、規(guī)律都有物理模型。也有些問題目前還無法建立確切的物理模型，如光的波粒二象性。但是，在教學中如能有效地利用物理模型，可使抽象的物理概念和規(guī)律具體化、形象化、直觀可感，極大地提高教學效果。

作者簡介：

李厚炎，福建省三明市，福建寧化一中。