張亞麗

物理學(xué)是一門研究物質(zhì)最普遍、最基本的運(yùn)動(dòng)形式的自然科學(xué),而所有的自然現(xiàn)象都不是孤立的。這種事物之間復(fù)雜的相互聯(lián)系,一方面反映了必然聯(lián)系的規(guī)律性,同時(shí)又存在著許多偶然性,使我們的研究產(chǎn)生了復(fù)雜性。例如,在研究物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí),實(shí)際上的運(yùn)動(dòng)往往非常復(fù)雜,不可能有單純的直線運(yùn)動(dòng)、勻速運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)。為了使研究變?yōu)榭赡芎秃?jiǎn)化,我們常采取先忽略某些次要因素,把問題理想化的方法,如引入勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻變速直線運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)和簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)等理想化的運(yùn)動(dòng)。這就是先建立物理模型,然后在一定條件下,用于處理某些實(shí)際問題。物理模型是在抓住主要因素忽略次要因素的基礎(chǔ)上建立起來的,它能具體、形象、生動(dòng)、深刻地反映事物的本質(zhì)和主流。

一、物理模型在教學(xué)中的作用

建立和正確使用物理模型可以提高學(xué)生理解和接受新知識(shí)的能力。例如,我們?cè)谶\(yùn)動(dòng)學(xué)中建立了“質(zhì)點(diǎn)”模型,學(xué)生對(duì)這一模型有了充分的認(rèn)識(shí)和足夠的理解,為以后學(xué)習(xí)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)、萬有引力定律、物體的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),以及電學(xué)中的“點(diǎn)電荷”模型、光學(xué)中的“點(diǎn)光源”模型等奠定了良好的基礎(chǔ)。使學(xué)生學(xué)習(xí)這些新知識(shí)時(shí)容易理解和接受。

建立和正確使用物理模型有利于學(xué)生將復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化、明了化,使抽象的物理問題更直觀、具體、形象、鮮明,突出了事物間的主要矛盾。

建立和正確使用物理模型對(duì)學(xué)生的思維發(fā)展、解題能力的提高起著重要的作用?？梢园褟?fù)雜隱含的問題化繁為簡(jiǎn)、化難為易,起到事半功倍的效果。

二、中學(xué)物理中常見的物理模型

物理模型是物理思想的產(chǎn)物,是科學(xué)地進(jìn)行物理思維并從事物理研究的一種方法。就中學(xué)物理中常見的物理模型,可歸納如下:

1.物理對(duì)象模型化。物理中的某些客觀實(shí)體,如質(zhì)點(diǎn),舍去物體的形狀、大小、轉(zhuǎn)動(dòng)等性能,突出它所處的位置和質(zhì)量的特性,用一有質(zhì)量的點(diǎn)來描繪,這是對(duì)實(shí)際物體的簡(jiǎn)化。當(dāng)物體本身的大小在所研究的問題中可以忽略,也能當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)來處理。類似質(zhì)點(diǎn)的客觀實(shí)體還有剛體、點(diǎn)電荷、薄透鏡、彈簧振子、單擺、理想氣體、理想電流表、理想電壓表等等。

2.物體所處的條件模型化。當(dāng)研究帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),因粒子所受的重力遠(yuǎn)小于電場(chǎng)力,可以舍去重力的作用,使問題得到簡(jiǎn)化。力學(xué)中的光滑面;熱學(xué)中的絕熱容器、電學(xué)中的勻強(qiáng)電場(chǎng)、勻強(qiáng)磁場(chǎng)等等,都是把物體所處的條件理想化了。

3.物理狀態(tài)和物理過程的模型化。例如,力學(xué)中的自由落體運(yùn)動(dòng)、勻速直線運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、彈性碰撞;電學(xué)中的穩(wěn)恒電流、等幅振蕩;熱學(xué)中的等溫變化、等容變化、等壓變化等等都是物理過程和物理狀態(tài)的模型化。

4.理想化實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,抓住主要矛盾,忽略次要矛盾,根據(jù)邏輯推理法則,對(duì)過程進(jìn)一步分析、推理,找出其規(guī)律。例如,伽利略的理想實(shí)驗(yàn)為牛頓第一定律的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。

5.物理中的數(shù)學(xué)模型?？陀^世界的一切規(guī)律原則上都可以在數(shù)學(xué)中找到它們的表現(xiàn)形式。在建造物理模型的同時(shí),也在不斷地建造表現(xiàn)物理狀態(tài)及物理過程規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)然,由于物理模型是客觀實(shí)體的一種近似,以物理模型為描述對(duì)象的數(shù)學(xué)模型,也只能是客觀實(shí)體的近似的定量描述。例如,在研究外力一定時(shí)加速度和質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中,認(rèn)為小車受到的拉力等于沙和沙桶的重力,其實(shí),小車受到的拉力不正好等于沙和沙桶的總重力。只有沙和沙桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車和砝碼的總質(zhì)量時(shí),才可近似地取沙和沙桶的總重力為小車所受的拉力,這是我們采取簡(jiǎn)化計(jì)算的一種數(shù)學(xué)模型。單擺作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí),為什么要求擺角小于10度?這是因?yàn)橹挥性谶@種情形下,單擺的回復(fù)力才近似與位移成正比,才滿足簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的條件。

作者單位:河北省唐山市豐南區(qū)第二中學(xué)