物理模型在中学物理教学中的应用*

李化南，张 健

(1.吉林师范大学物理学院， 吉林 四平136000；2. 北京师范大学物理系，北京 100875)

物理模型在中学物理教学中的应用*

李化南1，张 健2

(1.吉林师范大学物理学院， 吉林 四平136000；2. 北京师范大学物理系，北京 100875)

物理模型是中学物理知识的重要载体.从物理模型的定义出发将物理模型分为理想模型和理论模型两大类别.举例说明了物理模型在物理规律教学和物理量定义上的应用；物理模型应用于物理教学，可有效促进学生知识的建构，提高学生解决问题的能力.最后指出，物理模型有一定的适用条件和适用范围，并且是发展变化的.

物理模型；中学；物理教学

引言

阎金铎先生曾把物理教育中的科学方法划分为三个层次：第一层次是具体方法，第二层次是逻辑方法，第三层次是分析和解决问题的方法[1].首都师范大学的邢红军教授则指出：建立物理模型的方法是其中第三个层次的方法，亦是最高层次的科学方法[2].将物理模型视为最高层次的科学方法是由物理模型的价值和性质所决定的，正如法国著名的方法论学者阿雷诺所说：“因为科学的基本活动就是探索和制定模型”[3].可见在中学物理教学中应当突出物理模型的重要地位，因为物理模型是中学物理知识的重要载体，是学生构建物理概念和物理规律的重要工具，也是培养学生创新能力，掌握科学研究方法的一种重要媒介.

1 物理模型的分类

在物理理论研究与教学中为了揭示事物的物理本质，探索物质运动的基本规律，需要对客观物质进行加工，剔除其非本质因素，把握本质实在；忽略事物的次要矛盾，考虑其主要矛盾；忽略个性差异，考虑共性相似，从而进行高度的抽象与概括.经过此思维过程所形成的抽象概念或实物体系即物理模型，它是抽象性与形象性、科学性与假设性的辩证统一.

在中学物理教学与研究中，处理和解决物理问题都应遵循以下四个主要的步骤：①明确研究对象，隔离所研究的物体或物理体系(即who);②分析物体或体系的状态，寻找解决问题的突破点(即what);③注重物体或体系的动态变化特点，把握变化规律和趋势(即how);④运用恰当规律，选取相应的物理模型进行求解(即which).基于对上述解决问题思路的理解，可将常见物理模型划分为理想模型和理论模型两大类.理想模型,它是根据研究对象和问题的需要, 撇开、舍弃其次要的、非本质的因素,抓住其主要的、本质的因素, 从而人为地建立的一个易于分析研究的、能近似反映研究对象主要特征和物理实在的新的形象[4].理想物理模型是科学抽象与概括的结果.理论模型,它是在观察、实验的基础上, 经过物理思维,对某一物理客体和研究对象的结构、相互作用、运动规律等所作的一种简化和具体的描述[4].这种描述能解释某些物理现象和实验事实，具有化无形为有形，化抽象为具体的功效，能从某一方面反映事物的物理特性，进而进一步的指导研究的开展.且因此种描述时常以假说的形式存在，因而也称为物理假说.

2 物理模型在中学物理教学中的应用

2.1运用物理模型进行物理规律教学

物理规律是物理学科体系的核心要素.它反映了物质结构和物质运动中诸要素之间内在的必然联系，表现为某物理状态或物理过程中相关要素之间在一定条件下所遵从的关系，通常有定律、定理、原理、法则、方程等形式[5].物理规律教学对于学生学好物理知识、运用物理规律解决实际问题，具有关键作用.如能恰当运用物理模型可以使物理规律易于理解，更好地纳入学生已经建构的知识体系中去.譬如在电磁相互作用教学中，有这样一个问题：把轻质导线圈用绝缘细线悬挂在条形磁铁N极附近，当线圈通入电流(图1)时，判断线圈如何运动.

根据等效模型思想，把圆圈电流看成扁形磁铁，由安培定则得知扁磁铁右端为N极，左端为S极，故可判断线圈向左运动(图1).

图1 将圆圈电流视为磁铁

通过这一等效模型便可以使学生清楚地了解作用过程，开拓学生的思路，提高其解决实际问题的能力.再如在“动量守恒定律”的教学中，应当强调这是自然界最普遍的规律，它成立的条件是研究对象(系统)所受的合外力必须为零.然而在应用中，只要合外力远小于内力时，就可做近似处理，把合外力忽略，这就是忽略次要因素，抓住主要因素这一模型思想的应用.

2.2运用物理模型定义新的物理量

许多物理概念用定量的方法来描述客观事物的本质属性，如速度、加速度、电场强度、电阻、电压等，这类物理概念称为物理量[5].在中学物理教材中，很多物理量则是通过引入物理模型而定义的.例如电场强度E的定义，则是先引入了试探电荷这一模型(这一模型要求试探电荷①尺寸足够小，能够用于检测空间点的性质；②电量足够小，保证其引入不影响原电场的性质)，然后通过测量试探电荷在不同场点的受力情况，根据F/q在同一场点不变的特点，引入了空间点函数E，用于描述电场的大小及方向.同理在定义磁感应强度B时，也是借助于运动的点电荷.再如在热学中，引入了完全弹性的刚性小球模型，进而定义了理想气体是不考虑分子势能，即分子间无相互作用的气体.利用物理模型来研究物理规律，不仅是一种研究方法，而且能提高学生解决问题的能力，在教学中将这种思想潜移默化地教给学生会得到事半功倍的效果.

2.3运用物理模型促进学生对知识的理解

很多中学生反映中学物理难学，其原因无非有二：其一，随着高考命题趋向的改变，命题朝着注重应用性的转变，这使得很多学生难以在复杂的情境中把握主要因素，选择恰当的物理模型进行求解；其次，由于学生难以把握物理模型的使用条件和物理实在，只是肤浅的认知了模型，缺乏深入的思考分析.在物理教学中，若能将物理模型“活教活用”，则可以培养学生的建模能力，解决应用性问题.以“抛体运动”的教学为例，通过建立直角坐标系，引导学生把抛体的速度分解为正交的两个方向，然后分析两个分量方向的受力情况，引导学生认识到水平方向是匀速直线运动，竖直方向抛体参与匀变速直线运动，此两种模型运动的合成便是抛体运动.这种思路使得学生深刻地理解了运动合成的性质，有种豁然开朗的感觉.

2.4运用物理模型提高解决问题的能力

“学贵于用”是学生学习的目标，也只有在应用中才能评估学生对知识的掌握程度，发现学习中的不足，考察学生举一反三的能力.如果能够灵活运用物理模型，则解决问题便可得心应手，迅速找到解题的突破点.以下通过具体例题，凸显物理模型在解题中的“奇妙效果”.

例题1 问题如图2所示：物体A、B之间夹着一根压缩的轻弹簧，放在光滑水平面上的小车内，两物块质量mAgt;mB，与车厢的动摩擦因数相等，释放弹簧，物块在很短时间内与弹簧分离，分别向左向右运动，弹簧垂直掉落不动，两物块相对小车静止时都未与车壁相碰，问两物块是否同时静止？小车最终相对地面朝哪个方向运动？

图2 人船模型的应用

解析：这是“人船模型”的应用.小车，木块和弹簧系统动量守恒，初状态静止质心应不动.弹簧释放，若车不动，两物块分别向左右运动，A停止B还在向右运动，物块质心向右运动，为保证系统质心不动，小车就必须向左移动.

例题2 问题如图3所示：质量为m的小球在距地面高度为H处以水平速度v0抛出，在小球抛出点前方直立一个挡板，如果小球与挡板发生弹性碰撞，求小球落地点与挡板的水平距离S.

图3 平面镜模型的应用

解析：本题是对平面镜等效模型的考查.小球平抛运动中与挡板发生弹性碰撞，其速度方向发生改变，碰撞前后的速度方向满足反射定律.故而，类比平面镜成像特点，将挡板看做一面平面镜，则实际下落点C和没有挡板时的下落点C′关于镜面对称，不难解得小球的落地点与直立挡板的水平距离为：

物质是不断地发展和变化的，因而物理学的理论体系也是绝对和相对的辩证统一，体现在任何的物理概念和物理规律都有一定的使用条件和使用范围，并不存在绝对的永恒的定律.物理模型作为对客观实际的抽象和近似，也有其适用条件.在使用物理模型时，首先要明确物理模型的研究主题，选择满足条件的物理模型，再有就是要学会辩证思维方法，知道物理模型是发展变化的.

[1]阎金铎.九年义务教育初级中学物理教学大纲审查说明[J].学科教育，1992，(4)：27-29.

[2]邢红军.物理教学心理学[M].成都：成都科技大学出版社，1994.

[3]王溢然.模型[M].郑州：大象出版社，1999.

[4]田世昆, 胡卫平. 物理思维论[M]. 南宁: 广西教育出版社,1996 .

[5]阎金铎，郭玉英.中学物理教学概论[M].北京：高等教育出版社，2009.

TheApplicationofPhysicalModelinMiddleSchoolTeaching

LI Hua-nan1， ZHANG Jian2

(1.College of Physics, Jilin Normal University, Siping Jilin 136000, China;2.Department of Physics, Beijing Normal University, Beijing 100875,China)

The physical model is an important carrier of the middle school physics knowledge. Starting from the definition of the physical model，the physical models can be divided into two broad categories, that is the idealized models and the theoretical models. The application of physical models in physics teaching and the definition are elaborated by examples; the application of physical models in teaching practice, is effective for students to construct knowledge, and is helpful to strengthen students’ ability to solve problems. Finally, this paper emphasizes that the usage of the physical models has certain conditions and the scope, and the physical models are developing and changing.

physical model; middle school; physics teaching

1673-2103(2013)05-0113-03

2013-10-16

李化南(1975-)，女，辽宁沈阳人，讲师，硕士，在读博士研究生，研究方向：中学物理教学法等.

G633.7

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