谈物理模型在物理学习中的应用

毛国方

摘 要：本文从基础物理模型的积累、新建物理模型、实现模型的迁移入手，结合具体实例说明了物理模型在应用的过程中要注意其内在的本质和雷同模型间的区别，对复杂物理问题要学会物理模型的整合，从而有效提高物理学习的能力。

关键词：物理模型；基础；迁移；综合

中图分类号：G633.7文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2016）17-084-1

物理源自于生活，但生活又往往是错综复杂，它们之间又互相联系，互相制约。在实际规律的研究过程中，对实际问题进行抽象化处理，保留主要因素，略去次要因素，得到一种能反映原物质本质特性的理想的物质（过程）或假想结构，此即为物理模型。能迅速、准确地建立物理模型是处理物理问题的前提和基础。使学生积累一些基本物理模型，掌握建立物理模型的一些基本方法，准确把握物理模型的内涵，认清复杂问题的物理模型的整合，可以快速理清物理问题的本质，提高学生处理实际问题的能力。

一、积累各种基础物理模型

1.将抽象问题具体化的模型。

通过建立物理模型可以使一些看不见、摸不着的客观事物变得具体化、形象化，从而便于指示它的特征，研究它的变化规律。例如，人们在描述磁场时，引入了磁感线模型。磁感线并不是磁场中实际存在的曲线，而是一系列假想出来的曲线。虽说是假想，但是这些曲线并不是人们凭主观愿望臆造出来的，是人们通过在磁铁周围洒上铁屑，观察铁屑的分布特点，得出磁场的性质，从而“模拟”出那样的磁感线，这样就便于人们研究磁场的各种性质。此外，高中物理中的“光线”、“电场线”都是该种将抽象化事物变得具体的物理模型。

2.将复杂问题简化或理想化的模型。

将比较复杂的实际问题进行简化或理想化，从而建立起理想化物理模型。例如，研究地球绕太阳的公转速率，就可忽略地球的大小和形状而抽象为只有质量和位置的“质点”。这些理想化的物理模型是人们在长期的生产、生活以及科研活动中概括、总结出来的经典模型。

二、利用已有模型建立新的物理模型

有些物理现象、规律，我们无法直接展示，比较抽象，这时如果我们用已有的物理模型作类比，可以帮助学生建立新的合理的物理模型。

例如：对于分子间的作用力，其引力和斥力是同时存在的，但有时引力大于斥力，有时引力等于斥力，有时引力小于斥力。教学中为了让学生形象地理解这一知识，可引入这样一物理模型作类比：一弹簧一端各有一个小球，当弹簧处于自然状态时，相当于分子处于平衡位置距离，引力等于斥力；当弹簧被拉长时，相当于分子距离大于平衡位置距离，引力大于斥力，表现为引力；当弹簧被压缩时，相当于分子距离小于平衡位置距离，引力小于斥力，表现为斥力。

三、准确把握物理模型的内涵

要对事物形成理性的认识，往往要经历一个过程。通过学习，学生在头脑中形成了一定的物理模型，但往往有把握不准的

问题。及时地举例、练习、矫正，帮助学生准确地把握物理模型。

例1：2012年8月7日伦敦奥运会体操男子单杆决赛，荷兰选手宗德兰德荣获冠军.若他的质量为60kg，做“双臂大回环”，用双手抓住单杠，伸展身体，以单杠为轴做圆周运动.此过程中，运动员到达最低点时手臂受的总拉力至少约为多大？（忽略空气阻力，g=10m/s2）

分析：本题的物理模型是物体在竖直平面内的圆周运动，而该模型研究物体通过最高点时有三种情况，一是绳子模型，只能提供向下的拉力；二是拱形桥模型，只能提供向上的支持力；三是硬杆模型，既能提供向下的拉力，又提供向上的支持力。分析本题给出的情景，人的手臂在人处于最高点时可以支撑，属于硬杆模型，所以在最高点的速度可以为零。

三、加强物理模型的整合

复杂问题一般是简单问题的综合，教学中教师要有意识地引导学生对各物理模型进行分类，比较，形成系统完整的知识体系。同时，在应用注意物理模型的整合，从而构建条理清晰的物理图景。

例2：如图所示，MN、PQ是间距为L的平行金属导轨，置于磁感应强度为B，方向垂直导轨所在平面向里的匀强磁场中，M、P间接有一阻值为R的电阻.一根与导轨接触良好、有效阻值为R2的金属导线ab垂直导轨放置，并在水平外力F的作用下以速度v向右匀速运动，则（不计导轨电阻）（ ）.

A.通过电阻R的电流方向为P→R→M

B.a、b两点间的电压为BLv

C.a端电势比b端高

D.外力F做的功等于电阻R上发出的焦耳热

分析：本题的模型可以看成是两个简单模型的合成，一是导体棒在匀强磁场中运动切割磁感线产生电动势模型，导线ab向右匀速运动，就相当于是一个电源；二是闭合电路模型，ab相当于电源，ab电阻相当于电源的内阻，电阻R相当于外电路的电阻。

通过对各个物理模型的积累、比较、总结，可以使学生头脑中的各个物理模型更加清晰，形成较完整的物理模型体系，同时培养了学生善于总结物理现象、规律中的异同的能力，为学生在解决实际问题时练就“去伪存真、去粗取精”的能力奠定了基础。