物理理想模型的建立与中学物理教学的探究

（仙游华侨中学，福建莆田351200）

物理理想模型的建立与中学物理教学的探究

陈薇薇

（仙游华侨中学，福建莆田351200）

在物理学中，为探究物理现象、得出物理概念，经常利用理想化的模型用于探求物理法则。物理理想模型的建立需遵循一定原则，并且符合一定的要求。同时理想模型的特点，对物理学、社会生活、科学技术等方面的发展具有非常重要的意义。而模型在中学物理课堂也得到一定的运用，通过建立理想化模型方法有利于学生处理现实矛盾，排除自身疑惑。从中学物理教学模型化的分析与中学物理教学的一些实例讨论，我们可以得出理想模型对中学物理教学效果的促进表现。

理想模型建立；物理理想模型法；中学物理教学应用

一、引言

为探寻物理情境、总结规律常采用理想模型建立方法，即利用理想化方法将实际矛盾问题变简，抓住本质排除非本质特征以探索物理情境。实际教学上理想模型的应用较少，学生也普遍缺乏模型概念，不清楚模型建立的思想、方法，不能充分发挥理想模型在中学物理教学上的作用。

二、物理理想模型建立的原则和要求

理想模型具备一定的创立流程，了解其具体建立要求较为必要，这对深入分析理想模型具有相当重要的意义。

（一）物理理想模型建立的原则

在理想模型的建立上，存在一定的建立原则，主要有三点。一是主要因素与次要因素的选择，二是具体问题上应具体分析，三是对建立后的模型进行检验。

1.抓住主要因素，忽略次要因素

影响事物问题的因素很多，其中有本质影响也有非本质的作用。有些因素影响极大，并不能忽略；相反有些因素的影响不明显，忽略之后对问题的研究没有本质上影响。面对复杂问题，就需要确定研究对象，抓住要点，即“抓住主要因素，忽略次要因素”这一建立原则对问题进行研究，简化问题。

例如分析一物体在水平面上的运动状态。首先明确所研究的对象；其次分析主要因素和次要因素：若物体上所有的点运动情况是相同，则这时候物体的运动就与物体的形状、大小无关，只与物体质量相关。所以此时抓住质量，排除形状、大小作用影响，就能够把这个物体当作质点进行分析，简单化问题从而解决矛盾。

又例如弹簧振子是忽略了次要因素（摩擦力等阻力及弹簧质量等因素）的影响，又将金属小球看做质点，抓住机械能完全守恒这一主要因素，建立而成的用于研究简谐振动规律的理想模型。弹簧振子将问题去复杂，研究起来较为简单、方便。

2.具体问题，具体分析

建立理想模型时还需要具体问题具体分析。研究物体运动，若物体可看做质点，则还需分析其处于什么情境下的运动。

例如，质点仅在重力作用下既可做自由落体运动，还可做抛体运动等。［1］不一样情况下物体所受力存在差别，运动情况也有差异。或者如果物体的形状、大小对运动有影响。例如物体做转动运动，这时候就需要考虑刚体运动，而不是单纯的看做质点运动。所以面对实际问题时，模型建立还需具体问题具体分析。

又例如建立理想气体模型，这时气体中的分子之间接近于没有相互吸引力，分子之间发生的碰撞几乎不造成动能损失，由此忽略极小影响因素而建立起模型。此时模型对探寻情境有简化功能。但在实际生活中气体状态改变较为明显地偏离气态方程，这时候需要对理想气态方程进行修正，所以解决客观问题，建立理想模型还应该遵循具体问题具体分析。

3.对模型进行检验

建立完模型，应对其进一步地进行检验。结合理论判断理想模型是否具有合理存在性，分析检验理想模型的准确度。根据分析的结果，对其进行进一步的修改，从而使理想模型趋于完善。理想模型的检验对于模型的建立是必要的，这一原则保障了建立的理想模型的科学性，说明了模型建立的严谨性。

例如在a粒子散射实验中，卢瑟福察觉物理实验现象并不可以由以前的原子模型理论进行推导解释。而如果把原子看作一个被缩小的太阳系，电子像行星绕太阳旋转那样围绕着原子核旋转这样一种模型，则能够成功地解释a粒子的大角度散射问题，故而诞生了卢瑟福的原子核式结构模型，为人们进一步认识微观世界迈出了极其重要的一步。［2］所以模型建立过程，对建立的模型需要进行实验检验其合理性，确保模型的科学性。

（二）物理理想模型建立的要求

理想模型的建立并不是凭空想象的，它需要一定的依据支撑，具有一定的条件、要求。

1.要对问题进行分析

要建立理想模型，首先应对其问题分析，明确问题的本质，才能舍弃不必要因素，从而建立符合问题的理想模型。

2.需要一定的理论支撑

理想模型建立过程中，不能违背本质的物理基础。而是根据一定物理本质，进行简化处理。

3.需要对模型进行验证

建立模型后，有时还需要对其进行实验验证或用于实际操作中。证明其准确性，是否可用及适用的条件。

三、物理理想模型建立的特点和意义

模型的建立因遵循一定原则要求，所以其具有一定的特点。而理想模型的建立也对物理学发展、社会科技的提高产生了重要积极的影响，具有重要意义。

（一）物理理想模型建立的特点

无论是建立在对象、条件还是过程的理想化模型，对于问题及其普遍规律的研究都具有一定的意义。物理理想模型的建立具有一定近似性、局限性和实验性。

1.近似性

由于理想模型的建立是将事物问题理想化，所以具有近似性。例如力学上研究的只有一定质量没有一定形状和大小的质点，在任何外力作用下都不能发生形变的刚体。［3］它们都是将其非本质因素排除，考虑本质因素影响近似概括建立而成，其过程具有近似性。

2.局限性

由于理想模型是根据一定条件要求而建立的模型，所以建立过程具有一定的局限性。例如，质点这一模型只适合用在物体的大小与形状所起的影响较小或者影响可以忽略不计的情况。由于过程的限制性，当物体形状大小对问题探究具有较大影响不能被排除时（例如研究物体转动），就不能采用质点模型，而应再进行分析以找出其它更为恰当的模型，所以理想模型建立具有局限性。

3.实验性

理想模型建立需要适当的理论支持，要运用普遍的物理基本法则进行分析探究，但模型创立有时还会采取通过实验途径进行。例如а粒子散射实验建立了原子核式结构模型；光电效应证实了光子的粒子性模型。

（二）物理理想模型建立的意义

理想模型的建立在实际问题解决中具有巨大影响，分别体现在概念的形成、问题探究及教学效果等方面的价值意义。

1.理想模型是形成物理概念、建立物理规律的基础［4］

物理学的存在是为寻求实际生活中广泛存在的各类根本运动形态及它们之间彼此的影响，对事物运动的这些影响进行说明，把物理学的严谨结构呈现出来，使人们了解世界，改变世界。为达到这样的目的，必须得表达出物体的主要特征及其主要变化规律，由此为基础而建立起统一的、科学的、严谨的物理学基本体系。

因为客观世界物质的杂乱、繁复、丰富性，所以如果一概根据物理事物原来的表象分析探究，问题则会变更加困难化。没有理想模型很多物理问题将呈现棘手、复杂的状况，很难进行下去。所以我们说理想模型是物理概念形成以及物理规律建立的基础，它的存在非常重要。

2.理想模型为科学技术发展做出贡献

在物理学里，现实的具体研究事物虽然直观，但因为过程的复杂性经常会掩盖本质特性，所以我们通过理想模型建立进行分析。根据所揭示的性质及规律舍弃研究对象的其它大量的次要材料，使所探究的问题显示出主要特征。这就更加能够发挥科学的逻辑思维能力，进而突破社会的科学技术现状，指导新的物理探究方向，预见新的物理现象、规律。理想模型对物理学和现实生活所起的重要作用是巨大的，它为深入的科学研究做出了贡献，使物理研究更加地规范化与科学化，进一步推动了社会的发展。

3.理想模型促进提升物理教学效果

理想模型给学生展示了基础的物理知识、规律，培养其思维能力，促进提升了教学上的效果。由模型入手使得物理定律更简明了，便于掌握和理解概念，促进物理教学，极大地提高了学生学习物理的积极性。教师恰当地运用理想模型建立思想进行教学，可以让学生学会从事物的众多因素影响中把握主要因素，进而解决实际复杂问题。

四、物理理想模型法在中学物理教学中的应用

理想模型的建立对于物理教学有着重要作用，特别是对于中学物理教学有着重要的基础作用。模型的建立为学生学习该学科夯实了基础，为其今后深入学习、探究问题提供了科学思想。可见在中学物理教学中，学生学会物理理想模型的建立思想、掌握模型建立的方法对其深入学习物理学科有着重要的意义，同时对于提高中学物理教学质量也有着巨大的作用。所以在中学物理教学上应注重物理理想模型的应用。

（一）物理理想模型教学法

在中学物理教学中，不能只局限于知识的传授，单纯让学生记住规律进行计算，而应渗透物理理想模型的建立思想，教授学生用模型理想化的方法思考问题。教师通过建立理想模型方式进行课堂讲课，让学生获取学识、提升才能，并能够受益。

理想模型教学法是为研究问题的本质过程，排除非本质作用，将复杂问题简单化，进而形成抽象的理想化模型的教学方式。例如教学初中物理中研究光的规律时，采用光线这一具有方向的实线理想模型来代表光，通过这一模型进行物理规律探究，达到将问题形象化的目的，明显减少了原来问题的复杂性。

而在实际问题中，物理现象和过程一般都比较复杂，涉及到多种因素影响，这时采用物理理想模型方法可起到简化问题的作用。一般建立理想模型方法解题分为确定研究的对象、明确主要影响因素、排除次要因素、分析物理现象达到发现物理规律的几个过程。在教学过程中，运用理想模型教学法能够帮助学生更好地解决较为复杂的问题，令学生更加明确影响事物的主要因素，有利于学生有效地进行学习。

（二）中学物理教学模型化

根据模型研究建立特点，物理理想模型教学充分有利于实际复杂问题的解决。在中学物理教学中可运用物理理想模型教学思想，使中学物理教学模型化。

1.抽象性与形象性统一

物理教学体现了抽象性与形象性统一，表现了教学模型化。

例如质点模型的建立主要利用了抽象的方法，用一个没有大小、形状，只有质量的几何点(具有抽象性)来代替实际的物体(具有形象性)，是抽象性与形象性的统一体。

同样理想模型建立中有些则用看得见的几何线条描绘抽象的概念、规律，例如用磁感线（形象性）表示不可见的磁场（抽象性），也是两者的统一。

所以由模型建立的抽象性与形象性表明了中学物理教学模型化的特点。

2.近似性与科学性统一

理想模型设立是通过讨论众多影响成分，把握本质成分舍弃非本质成分，具有近似性。例如平抛运动、自由落体运动等模型，都是在省略空气阻力作用根本上，近似创立的理想化模型。

物理问题研究中通过实验证明理想模型准确与否，说明了其模型建立拥有科学性。例如卢瑟福的原子核式结构模型的提出，都是建立在对实验事实分析的基础上，其具有严谨的科学性。

物理教学过程教授学生近似性与科学性的思想，体现两者的统一，体现了教学模型化。

3.假定性与实验性统一

理想模型源自现实，又超过现实，是研究过程想象力与创造性的结晶，因此理想模型建立前具备假定性。同时建立的模型正确性又要靠实验来检验，又反映了实验性。例如玻尔针对卢瑟福原子模型，假定其与经典理论相同来进行实验，发现其与经典电磁理论的矛盾，从而建立了玻尔原子模型。

教学过程也是通过假定进行分析，运用实验进行验证，体现了教学模型化。

（三）中学物理教学的实例

1.实例1

题目：一跳水运动员从离水面10米高的平台向上跃起，举双臂直体离开台面，此时其重心位于从手到脚全长的中点，跃起后重心升高0.45米达到最高点，落水时身体竖直，手先入水（在此过程中运动员水平方向的运动忽略不计）,从离开跳台到手触水面，他可用于完成空中动作的时间是秒（g取10m/s2）。

分析：首先确定研究对象,即运动员；其次由题目可以看到运动员从手到脚的全长未知，若考虑运动员的整体形状、大小变化，则情况将变得复杂。由于运动员从台面跳起到最高点过程中我们只知道重心升高的长度，却不知道具体手到脚的全长以及运动身体形状的情况下造成了问题的复杂度。

这时若假定手到脚的全长为一固定值，不考虑形状变化时（将人看作一形状不变的固定有限长度的直线），则如图1所示。可见全长为固定值，重心位于中心时，从最高点到手刚触到水面时，重心位置高度变化了10.45米，也就是说明运动员跳水过程可以不计手到脚的全长，只考虑重心的位置变化来分析此问题。

若不考虑全长，考虑形状变化分析问题，可以看到从台面到最高点形状对于运动员运动情况并无影响，同样从最高点之后往下跳到手接触水面，这个过程中形状有无变化对其运动情况也没有影响。运动员在整个过程中的动作的伸展、摆臂等动作是次要因素，对题目几乎无影响，可以忽略。由此可知在这个问题中，形状的变化并不影响运动过程分析，可以排除这个次要因素。

综上可以看到，运动员的运动过程可以忽略手到脚的全长（大小）及形状变化，只考虑重心的变化（重心在过程中可能也会发生细微的变化，属于次要因素，影响忽略），也就是可以排除未知、无关项及次要因素的干扰，将运动员看作是一质点，质点的位置在重心处。这样就将问题抽象为质点的运动，简化了问题，方便了问题解决，进一步培养了学生的辩证思维，分别从不同方面进行分析。

由此，运动员的跳水运动就为一质点向上竖直上抛运动与自由落体运动，此过程又忽略了空气等阻力的影响（属于次要影响因素，对运动过程分析影响不大），只考虑受重力的作用（即考虑主要因素）建立而成。

可见在这个题目分析中建立了两个理想模型：一个是质点，另一个是将运动过程看作竖直上抛与自由落体运动。这样，问题解决的方向就明确了，也提供给学生新的学习分析思维方法。通过理想模型的建立也使物理实际复杂问题得到了明显的简化，引起学生兴趣，调动学生积极学习。

从上可见，理想模型教学帮助学生分别从不同方面研究问题，传输给学生辩证的思维；同时从分析过程逐步地进行思考，也有利于引导学生形成自己科学的学习方法。所以运用物理理想模型思想进行教学对于中学生学习物理学科是必要的。

2.实例2

题目：如图所示，两种不同的正离子（不计重力）垂直射入偏转电场，从偏转电场射出时具有相同的偏转距离y（偏转电压U保持不变），则两种离子进入偏转电场前只要满足。

分析：首先确定研究对象为正离子，其次分析其影响因素偏转电场。在中学物理中常探究带电粒子在电场中的偏转问题，一般都把电场条件理想化，即一般探究的是匀强电场中的偏转问题。由此建立起了一种理想化的模型——匀强电场中带电粒子的偏转模型。题目中偏转电压保持不变，说明正是理想化模型。该模型通过将电场理想化，以便于探究带点粒子在电场中的运动规律。而理想化模型的物理规律可通过类比平抛运动规律来进行，帮助学生进一步对平抛过程的掌握。此题的对模型的剖析也帮助了学生对该题建立的电场偏转模型问题的理解与记忆。

通过模型教学进行分析该题得：不计重力则该模型仅受电场力，由于电场恒定、离子带正电，所以电场力的方向与电场方向一致，电场大小F=。所以离子的加速度为a=。运用类平抛规律，水平方向：L=v0t；竖直方向：；所以，偏转距离：

由此学生便可得出结论：两种离子进入偏转电场前只要满足比荷和速度都相同，其偏转距离相同，得出答案。

通过建立理想模型法，使学生得到并进一步掌握物理规律，理解了物理过程。同时通过对平抛运动的回顾，水平、竖直方向运动的分析，进一步巩固了学生的知识体系。而理想模型探究过程的科学性也有利于学生形成科学的态度，进而建立起科学的物理知识体系。

物理学中的理想模型是使问题研究简化的一种模型，能使学生学会确定研究目标，找出主要矛盾，忽略次要矛盾，确定模型来分析问题的办法，帮助学生得出更符合实际的规律。通过建立理想模型法，学生的知识体系将更加完整，思维更具有辩证性。

［1］任海权.对初中物理教学的思考［J］.大观周刊,2012(13）.

［2］王刚志.大学物理中的理想化模型［J］.中国轻工教育, 2004(4).

［3］宋凤忠.物理学研究中的理想化方法［J］.濮阳教育学院学报,1999(3).

［4］苏彦斌.浅析物理模型在初中物理的作用［J］.陕西教育, 2011(11).

（责任编辑：詹国荣）