李化南，張 健

(1.吉林師范大學物理學院， 吉林 四平136000；2. 北京師范大學物理系，北京 100875)

物理模型在中學物理教學中的應用*

李化南1，張 健2

(1.吉林師范大學物理學院， 吉林 四平136000；2. 北京師范大學物理系，北京 100875)

物理模型是中學物理知識的重要載體.從物理模型的定義出發(fā)將物理模型分為理想模型和理論模型兩大類別.舉例說明了物理模型在物理規(guī)律教學和物理量定義上的應用；物理模型應用于物理教學，可有效促進學生知識的建構，提高學生解決問題的能力.最后指出，物理模型有一定的適用條件和適用范圍，并且是發(fā)展變化的.

物理模型；中學；物理教學

引言

閻金鐸先生曾把物理教育中的科學方法劃分為三個層次：第一層次是具體方法，第二層次是邏輯方法，第三層次是分析和解決問題的方法[1].首都師范大學的邢紅軍教授則指出：建立物理模型的方法是其中第三個層次的方法，亦是最高層次的科學方法[2].將物理模型視為最高層次的科學方法是由物理模型的價值和性質所決定的，正如法國著名的方法論學者阿雷諾所說：“因為科學的基本活動就是探索和制定模型”[3].可見在中學物理教學中應當突出物理模型的重要地位，因為物理模型是中學物理知識的重要載體，是學生構建物理概念和物理規(guī)律的重要工具，也是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力，掌握科學研究方法的一種重要媒介.

1 物理模型的分類

在物理理論研究與教學中為了揭示事物的物理本質，探索物質運動的基本規(guī)律，需要對客觀物質進行加工，剔除其非本質因素，把握本質實在；忽略事物的次要矛盾，考慮其主要矛盾；忽略個性差異，考慮共性相似，從而進行高度的抽象與概括.經過此思維過程所形成的抽象概念或實物體系即物理模型，它是抽象性與形象性、科學性與假設性的辯證統(tǒng)一.

在中學物理教學與研究中，處理和解決物理問題都應遵循以下四個主要的步驟：①明確研究對象，隔離所研究的物體或物理體系(即who);②分析物體或體系的狀態(tài)，尋找解決問題的突破點(即what);③注重物體或體系的動態(tài)變化特點，把握變化規(guī)律和趨勢(即how);④運用恰當規(guī)律，選取相應的物理模型進行求解(即which).基于對上述解決問題思路的理解，可將常見物理模型劃分為理想模型和理論模型兩大類.理想模型,它是根據研究對象和問題的需要, 撇開、舍棄其次要的、非本質的因素,抓住其主要的、本質的因素, 從而人為地建立的一個易于分析研究的、能近似反映研究對象主要特征和物理實在的新的形象[4].理想物理模型是科學抽象與概括的結果.理論模型,它是在觀察、實驗的基礎上, 經過物理思維,對某一物理客體和研究對象的結構、相互作用、運動規(guī)律等所作的一種簡化和具體的描述[4].這種描述能解釋某些物理現(xiàn)象和實驗事實，具有化無形為有形，化抽象為具體的功效，能從某一方面反映事物的物理特性，進而進一步的指導研究的開展.且因此種描述時常以假說的形式存在，因而也稱為物理假說.

2 物理模型在中學物理教學中的應用

2.1運用物理模型進行物理規(guī)律教學

物理規(guī)律是物理學科體系的核心要素.它反映了物質結構和物質運動中諸要素之間內在的必然聯(lián)系，表現(xiàn)為某物理狀態(tài)或物理過程中相關要素之間在一定條件下所遵從的關系，通常有定律、定理、原理、法則、方程等形式[5].物理規(guī)律教學對于學生學好物理知識、運用物理規(guī)律解決實際問題，具有關鍵作用.如能恰當運用物理模型可以使物理規(guī)律易于理解，更好地納入學生已經建構的知識體系中去.譬如在電磁相互作用教學中，有這樣一個問題：把輕質導線圈用絕緣細線懸掛在條形磁鐵N極附近，當線圈通入電流(圖1)時，判斷線圈如何運動.

根據等效模型思想，把圓圈電流看成扁形磁鐵，由安培定則得知扁磁鐵右端為N極，左端為S極，故可判斷線圈向左運動(圖1).

圖1 將圓圈電流視為磁鐵

通過這一等效模型便可以使學生清楚地了解作用過程，開拓學生的思路，提高其解決實際問題的能力.再如在“動量守恒定律”的教學中，應當強調這是自然界最普遍的規(guī)律，它成立的條件是研究對象(系統(tǒng))所受的合外力必須為零.然而在應用中，只要合外力遠小于內力時，就可做近似處理，把合外力忽略，這就是忽略次要因素，抓住主要因素這一模型思想的應用.

2.2運用物理模型定義新的物理量

許多物理概念用定量的方法來描述客觀事物的本質屬性，如速度、加速度、電場強度、電阻、電壓等，這類物理概念稱為物理量[5].在中學物理教材中，很多物理量則是通過引入物理模型而定義的.例如電場強度E的定義，則是先引入了試探電荷這一模型(這一模型要求試探電荷①尺寸足夠小，能夠用于檢測空間點的性質；②電量足夠小，保證其引入不影響原電場的性質)，然后通過測量試探電荷在不同場點的受力情況，根據F/q在同一場點不變的特點，引入了空間點函數E，用于描述電場的大小及方向.同理在定義磁感應強度B時，也是借助于運動的點電荷.再如在熱學中，引入了完全彈性的剛性小球模型，進而定義了理想氣體是不考慮分子勢能，即分子間無相互作用的氣體.利用物理模型來研究物理規(guī)律，不僅是一種研究方法，而且能提高學生解決問題的能力，在教學中將這種思想潛移默化地教給學生會得到事半功倍的效果.

2.3運用物理模型促進學生對知識的理解

很多中學生反映中學物理難學，其原因無非有二：其一，隨著高考命題趨向的改變，命題朝著注重應用性的轉變，這使得很多學生難以在復雜的情境中把握主要因素，選擇恰當的物理模型進行求解；其次，由于學生難以把握物理模型的使用條件和物理實在，只是膚淺的認知了模型，缺乏深入的思考分析.在物理教學中，若能將物理模型“活教活用”，則可以培養(yǎng)學生的建模能力，解決應用性問題.以“拋體運動”的教學為例，通過建立直角坐標系，引導學生把拋體的速度分解為正交的兩個方向，然后分析兩個分量方向的受力情況，引導學生認識到水平方向是勻速直線運動，豎直方向拋體參與勻變速直線運動，此兩種模型運動的合成便是拋體運動.這種思路使得學生深刻地理解了運動合成的性質，有種豁然開朗的感覺.

2.4運用物理模型提高解決問題的能力

“學貴于用”是學生學習的目標，也只有在應用中才能評估學生對知識的掌握程度，發(fā)現(xiàn)學習中的不足，考察學生舉一反三的能力.如果能夠靈活運用物理模型，則解決問題便可得心應手，迅速找到解題的突破點.以下通過具體例題，凸顯物理模型在解題中的“奇妙效果”.

例題1 問題如圖2所示：物體A、B之間夾著一根壓縮的輕彈簧，放在光滑水平面上的小車內，兩物塊質量mAgt;mB，與車廂的動摩擦因數相等，釋放彈簧，物塊在很短時間內與彈簧分離，分別向左向右運動，彈簧垂直掉落不動，兩物塊相對小車靜止時都未與車壁相碰，問兩物塊是否同時靜止？小車最終相對地面朝哪個方向運動？

圖2 人船模型的應用

解析：這是“人船模型”的應用.小車，木塊和彈簧系統(tǒng)動量守恒，初狀態(tài)靜止質心應不動.彈簧釋放，若車不動，兩物塊分別向左右運動，A停止B還在向右運動，物塊質心向右運動，為保證系統(tǒng)質心不動，小車就必須向左移動.

例題2 問題如圖3所示：質量為m的小球在距地面高度為H處以水平速度v0拋出，在小球拋出點前方直立一個擋板，如果小球與擋板發(fā)生彈性碰撞，求小球落地點與擋板的水平距離S.

圖3 平面鏡模型的應用

解析：本題是對平面鏡等效模型的考查.小球平拋運動中與擋板發(fā)生彈性碰撞，其速度方向發(fā)生改變，碰撞前后的速度方向滿足反射定律.故而，類比平面鏡成像特點，將擋板看做一面平面鏡，則實際下落點C和沒有擋板時的下落點C′關于鏡面對稱，不難解得小球的落地點與直立擋板的水平距離為：

物質是不斷地發(fā)展和變化的，因而物理學的理論體系也是絕對和相對的辯證統(tǒng)一，體現(xiàn)在任何的物理概念和物理規(guī)律都有一定的使用條件和使用范圍，并不存在絕對的永恒的定律.物理模型作為對客觀實際的抽象和近似，也有其適用條件.在使用物理模型時，首先要明確物理模型的研究主題，選擇滿足條件的物理模型，再有就是要學會辯證思維方法，知道物理模型是發(fā)展變化的.

[1]閻金鐸.九年義務教育初級中學物理教學大綱審查說明[J].學科教育，1992，(4)：27-29.

[2]邢紅軍.物理教學心理學[M].成都：成都科技大學出版社，1994.

[3]王溢然.模型[M].鄭州：大象出版社，1999.

[4]田世昆, 胡衛(wèi)平. 物理思維論[M]. 南寧: 廣西教育出版社,1996 .

[5]閻金鐸，郭玉英.中學物理教學概論[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，遼寧沈陽人，講師，碩士，在讀博士研究生，研究方向：中學物理教學法等.

G633.7

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