高中物理模型教学研究

【摘要】高考改革总趋势是由知识立意转向能力立意，试题内容大多源于生产生活实际，这类试题都要求学生能根据题目的信息，建立合适的物理模型，再利用物理模型所遵循的规律解题从教学实践中发现，学生在遇到联系生产生活实际的物理问题时，往往会不知所措，原因是他们不能根据实际物理问题抽象出理想化的物理模型，为了有效改善这种局面，本文提出开展物理模型教学。物理模型，就是人们为了研究物理问题的方便和探讨物理事物的本质而对研究对象所作的一种简化的描述和模拟。

【关键词】理想化；问题解决；物理模型；物理模型教学

一、物理模型及其分类、主要特征、作用

我们不能把模型仅仅理解成是一种将实际物体小型化或大型化的实体，比如飞机模型、舰船模型和原子结构模型等。其实这只是模型的一种形式。从广泛的意义上讲，“一个模型既可以是一个装置、一个计划、一份草图、一个等式、一个计算机程序，甚至也可以仅仅是一种想象。不论模型是物质的或是概念的，模型的价值在于能够解释事物是如何或可能运转的。”

二、物理模型分类

对于物理模型的分类，依据不同的标准，有不同的分类法，有人认为可以分为对象模型条件模型和过程模型，也有人认为可分为实体模型。系统模型和过程模型等等；从广义上讲，物理学中的各种基本概念，如长度、时间、空间等都可以称为物理模型，因为它们都是以各自相应的现实原型为背景而抽象出来的最基本概念。从狭义上讲，只有那些反映特定物理现实和物理问题的理想化实体、理想化过程、理想化状态、理想化结构等才能叫做物理模型，由于我们谈论的主要是一些具体的物质结构、物理现象、过程、状态等，所以我这里谈到的物理模型，一般是指狭义的模型，从中学物理教学实践我们知道，在实际应用中最关键是要解决两个环节：第一要明确学习和研究的对象是什么？第二要明确学习和研究的对象是如何运动变化的、遵循什么样的规律？按照这两个环节将物理模型分类，我们会发现中学物理教学中涉及到的常见的物理模型应包括对象模型和过程模型两类：①对象模型对象模型是根据研究对象的特点，舍弃次要的、非本质的因素，抓住主要的、本质的因素，从而建立的一个易于研究的、能反映研究对象主要特征的新形象自然界存在的每个物体都有许许多多特点，如尺寸、形状、质量、温度、热容量、导电性、颜色等等，在物理学中，我们把这些特点分别归入力、热、电、光等各个学科里分别研究理想模型是对研究对象的特点进行科学抽象与概括的结果，理想模型在物理学中到处可见，如质点、弹簧振子、单摆、—理想气体、点电荷、理想变压器、薄透镜、刚体、理想流体等另外还有一些，诸如点光源、近轴光线、电力线、磁力线等，都是人们根据它们的物理性质，用理想化的图形来模拟的概念，如光线就是用带有箭头的线段来表示理想对象模型是物理规律和物理理论赖以建立和发展的基础，在物理学中具有不可替代的作用。②过程模型；过程模型是为了研究复杂问题，建立在物体运动变化过程的基础上，根据研究问题的性质和需要，在包含多種复杂因素的物理过程中，找出主要因素，略去次要因素，建立能够揭示事物本质的理想过程。如质点运动的各种典型模型：自由落体运动、匀速直线运动、匀变速直线运动、简谐振动、完全弹性碰撞；热学中的等温变化、等容变化、等压变化、绝热变化等等都是将物理过程模型化。将物理学中的研究对象模型化，仅仅是研究伺题的开始，更重要的是找出研究对象运动过程所遵循的规律，以便用过程模型规律来解决实际问题。拿自由落体运动来说，它是指物体只在重力作用下，从静止开始下落的运动”这样的运动实际上是不存在的，因为总会有空气阻力等其他因素的影响可是如果我们要研究一个物体在地面附近由静止开始下落的运动，这在物理学中己经是一种非常简单的运动，但就对于这样一种简单的运动，如果不建立物理过程模型，也会变得无从下手，因为物体下落时，影响物体运动的因素很多，首先是重力，根据万有引力公式，它随着小球下落过程中与地面距离的改变而变化；其次是物体所受的空气阻力，它与小球的形状、大小和下落速度有关，同时还与风速、风向、物体下落中的转动有关，如果要综合考虑这些因素，找出物体下落的定量规律就十分困难，其实我们可以在分析的基础上，忽略次要因素，将物体运动想为一个理想的过程。在一定的高度范围内，当物体从地面上空某一高处下落时，可认为重力不变；当物体下落的速度不大时，可忽略空气阻力的作用；同时也可不计地球的自转、风速以及物体的形状、大小、物体的转动等因素的影响，这样该物体的运动就可以看作是一个质点在均匀重力场中只受重力作用下的一种运动，我们称之为自由落体运动，通过对物体运动过程的理想化，我们方便地得出了物体下落的规律，而且这一规律可近似代表实际物体的运动规律，以上是对物理模型进行了简单的分类，值得一提的是，同一个物体或过程对应的物理模型不能绝对化，往往同一个物体或过程它可以成为几个模型，以太阳为例，当我们研究它对天体的引力时，需要把它看作质点。

三、物理模型的主要特征

（1）抽象性和形象性的统一一般情况下，物理模型的建立过程是一个抽象思维和形象思维相结合的过程，而建立的物理模型本身又是抽象性与形象性的统一体。如质点模型的建立主要利用了抽象的方法（当然有形象思维参与，需要一定的形象作为依托），质点模型是用一个没有大小、形状，而具有物体质量的点（具有抽象性）来代替实际物体（具有形象性），是抽象性与形象性的统一体。

（2）科学性与假定性的统一，物理模型不仅反映了原型的直观形象，反映了原型的主要特征，抓住了影响问题的主要因素，而且要以科学知识和实验事实为依据，经过分析、综合、比较、抽象、概括、推理等一系列逻辑论证，建立相应的物理模型，因而具有科学性。

（3）美学性，我们知道，自然界是统一的、和谐的，随着物理学的发展和观察、实验材料的丰富，物理学家们越来越把对称、和谐、简洁、多样统一等看作是一个重要的哲学理念，以此来指导物理学研究，即运用臻美法来研究物理学问题，臻美就是在创造性思维过程中，按照美的规律，对尚不完善的对象进行加工、修改以至重构的思维方法，在建立物理模型的过程中具有启发作用，往往使物理模型更简洁。

（4）物理模型对物理学习的作用，物理模型有助于学生获得科学的物理思维方法物理学的研究所涉及的问题，有很多是非常抽象、非常复杂的，要进行完整、全面、直接的研究是非常困难的。如力，它看不见、摸不着，研究起来无从下手，但是用“带箭头的有向线段”这一模型来表示力，就会使力一下子变的直观、形象了；可见物理模型可化抽象为形象、化复杂为简单、使原来只能定性了解的物理现象，可以用定量的办法来研究，这是恰恰是一种科学的物理思维方法。

翻开物理教科书，无论哪一部分内容都有物理模型比如力学中有质点模型、刚体模型，也有匀速直线运动模型、自由落体运动模型、匀变速直线运动模型、简谐运动模型等；热学中有理想气体模型；电学中有点电荷模型、电力线模型；光学中有点光源模型、波粒二象性模型；它们的引入不仅为宏观物理理论规律性的研究提供了方便，而且对探索微观世界的奥妙也是至关重要的。

参考文献：

[1] 阎金铎主编，田世昆，胡卫平编著.物理思维论[M].广西教育出版社，1996年12月第一版

[2] 阎金铎主编，田世昆，胡卫平.物理思维论〔M].广西教育出版社，1996年12月第1版

[3] 恩格斯.自然辩证法[M].人民出版社，1971

作者简介：

阚晓帆（1991～）男，辽宁沈阳人，本科生（大四），专业：物理学。