关于物理模型在教学中的探讨

 艾先军

摘要：本文从物理模型的分类及常见的物理模型进行分析，最终探讨物理模型在教学中的作用和运用，从而可知建立物理模型在物理研究中的重要意义。

关键词：物理；模型；分类；作用；运用

物理学是一门基础自然学科，它研究物质最普遍、最基本的运动形式。但是我们知道自然界中的任何物体都要受到周围客观因素对它或多或少的影响，从而使我们的研究变的复杂。为了使研究更加简便，我们很有必要忽略一些次要因素，抓主要因素，从而使问题理想化，达到迎刃而解的目的。这个过程就是我们建立物理模型的过程。

1物理模型的分类

物理模型都是以各自相应的现实原型为背景加以抽象出来的，按产生的不同可将物理模型分为以下几类：

1.1理想化模型

所谓的理想化模型是指那些反映特定问题或特定事物结构的物理模型。如质点、理想气体、匀速直线运动、简谐振动等都是理想化模型。

1.2 模拟式物理模型

利用形象化手段，采用示意图或制作与实体相似的模型就是模拟式物理模型。如同铁屑模拟磁感应线、直流发电机的构造示意图、发电机的模型等都是模拟式物理模型。

1.3 数学物理模型

由概念推导出的各种结论及在实验基础上产生的物理规律，往往以字母的形式，通过数学的手段描述出来的模型叫做数学物理模型。如欧姆定律、牛顿定律、法拉第电磁感应定律等都是数学物理模型。

2建立模型的作用及意义

建立和正确使用物理模型可以提高学生理解和接受新知识的能力。例如，我们在运动学中建立了“质点”模型，学生对这一模型有了充分的认识和理解，就可以为后续课程学习质点的运动、万有引力定律、物体的平动和转动奠定基础，从而使学生学习这些新知识时容易理解和接受。  
建立和正确使用物理模型有利于学生将复杂问题简单化、明了化，使抽象的物理问题更直观、具体、形象、鲜明，突出了事物间的主要矛盾。  
    建立和正确使用物理模型对学生的思维发展、解题能力的提高起着重要的作用。可以把复杂隐含的问题化繁为简、化难为易，起到事半功倍的效果。

可见，物理模型在物理学的发展中发挥着重要作用。从某中意义上讲，物理学是一门模型科学，物理教学是物理教师引导学生建立物理模型，并学会应用物理模型解决物理问题的过程。

3中学物理中常见的物理模型  

物理模型是物理思想的产物，是科学地进行物理思维并从事物理研究的一种方法。就中学物理中常见的物理模型，可归纳如下：

3.1物理对象模型化

物理中的某些客观实体，如质点，舍去物体的形状、大小、转动等性能，突出它所处的位置和质量的特性，用一有质量的点来描绘，这是对实际物体的简化。当物体本身的大小在所研究的问题中可以忽略，也能当作质点来处理。类似质点的客观实体还有刚体、点电荷、薄透镜、弹簧振子、单摆、理想气体、理想电流表、理想电压表等等。  
3.2物体所处的条件模型化

当研究带电粒子在电场中运动时，因粒子所受的重力远小于电场力，可以舍去重力的作用，使问题得到简化。力学中的光滑面；热学中的绝热容器、电学中的匀强电场、匀强磁场等等，都是把物体所处的条件理想化了。  

3.3物理状态和物理过程的模型化

例如，力学中的自由落体运动、匀速直线运动、简谐运动、弹性碰撞；电学中的稳恒电流、等幅振荡；热学中的等温变化、等容变化、等压变化等等都是物理过程和物理状态的模型化。  
3.4 理想化实验

在实验的基础上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，根据逻辑推理法则，对过程进一步分析、推理，找出其规律。例如，伽利略的理想实验为牛顿第一定律的产生奠定了基础。

3.5物理中的数学模型

客观世界的一切规律原则上都可以在数学中找到它们的表现形式。在建造物理模型的同时，也在不断地建造表现物理状态及物理过程规律的数学模型。当然，由于物理模型是客观实体的一种近似，以物理模型为描述对象的数学模型，也只能是客观实体的近似的定量描述。例如，在研究外力一定时加速度和质量的关系实验中，认为小车受到的拉力等于砂和砂桶的重力，其实，小车受到的拉力不正好等于砂和砂桶的总重力。只有砂和砂桶的总质量远小于小车和砝码的总质量时，才可近似地取砂和砂桶的总重力为小车所受的拉力，这是我们采取简化计算的一种数学模型。单摆作简谐运动时，为什么要求摆角小于5度？这是因为只有在这种情形下，单摆的回复力才近似与位移成正比，才满足简谐运动的条件。  

4物理模型在教学中的运用  

4.1建立模型概念，理解概念实质

概念是客观事物的本质在人脑中的反映，客观事物的本质属性是抽象的、理性的。要想使客观事物在人脑中有深刻的反映，必须将它与人脑中已有的事物联系起来，使之形象化、具体化。物理模型大都是以理想化模型为对象建立起来的。建立概念模型实际上是撇开与当前考察无关的因素以及对当前考察影响很小的次要因素，抓住主要因素，认清事物的本质，利用理想化的概念模型解决实际问题。如质点、刚体、理想气体、点电荷等等。学生在理解这些概念时，很难把握其实质，而建立概念模型则是一种有效的思维方式。  
4.2认清条件模型，突出主要矛盾

条件模型就是将已知的物理条件模型化，舍去条件中的次要因素，抓住条件中的主要因素，为问题的讨论和求解起到搭桥铺路、化难为易的作用。例如，我们在研究两个物体碰撞时，因作用时间很短，忽略了摩擦等阻力，认为系统的总动量保持不变。条件模型的建立，能使我们研究的问题得到很大的简化。  
4.3构造过程模型，建立物理图景

过程模型就是将物理过程模型化，将一些复杂的物理过程经过分解、简化、抽象为简单的、易于理解的物理过程。例如，为了研究平抛物体的运动规律，我们先将问题简化为下列两个过程：第一，质点在水平方向不受外力，做匀速直线运动；第二，质点在竖直方向仅受重力作用，做自由落体运动。可见，过程模型的建立，不但可以使问题得到简化，还可以加深学生对有关概念、规律的理解，有利于培养学生思维的灵活性。  
4.4转换物理模型，深入理解模型

通过对理想化模型的研究，可以完全避开各种因素的干扰，在思维中直接与研究对象的本质接触，能既快又准确地了解事物的性质和规律。例如，建立起“单摆”这一理想化模型后，理解了单摆的周期公式，可以解决类似于单摆的一系列问题：在竖直的光滑圆弧轨道内作小幅度滚动的小球的周期问题；在竖直的加速系统内摆动的小球的周期问题；在光滑斜面上摆动的小球的周期问题。

5使用模型应注意的问题

5.1模型是在一定条件下适用的

建立物理模型，可使问题的处理大为简化而又不会发生大的偏差。现实世界中，有许多事物与这种“理想模型”十分接近，在一定场合、一定条件下，作为一种近似，可以把实际事物当作“理想模型”来处理，但也要具体问题具体分析。例如，在研究地球绕太阳公转运动的时候，由于地球与太阳的平均距离(约14960万千米)比地球半径(约6370千米)大得多，地球上各点相对于太阳的运动可以看作是相同的，即地球的形状、大小可以忽略不计，这样就可以把地球当作一个“质点”来处理；但在研究地球自转时，地球上各点的转动半径不同，地球的形状、大小不可以忽略，不能把地球当作一个“质点”来处理。  
5.2物理模型是在不断完善发展的

随着社会的不断进步，人类对事物的本质的认识也是不断深入和提高的，物理模型也相应地由初级向高级发展并不断完善。例如，原子模型的提出就是一个不断完善的过程。它的提出经过以下的过程“枣糕”模型到核式结构模型，最终确定为“轨道量子化”模型。

通过以上所述，我们知道各种物理模型在教学中的重要性是不可估量的。物理学虽然是抽象的，只要很好的掌握各种物理模型，一切问题我们都可以解决，所以笔者认为学好物理学必须首先掌握物理模型。