物理學(xué)是一門(mén)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。這就需要建立物理模型，在一定條件下，處理某些實(shí)際問(wèn)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(lái)的，它能具體、形象、生動(dòng)、深刻地反映事物的本質(zhì)和主流。模型方法是以研究模型來(lái)揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)的方法，是邏輯方法的一種特有形式。具體的模型方法可以分為四種：對(duì)象模型、條件模型、過(guò)程模型和數(shù)學(xué)模型。建模方法的運(yùn)用有以下幾種。

1.在物理中的某些客觀實(shí)體，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(lái)描繪，這是對(duì)實(shí)際物體的簡(jiǎn)化。這種建模的方法叫對(duì)象模型。如在研究地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)時(shí)，由于物體的形狀、大小相對(duì)研究對(duì)象較小或影響不大，我們可以把地球當(dāng)作一質(zhì)點(diǎn)。質(zhì)點(diǎn)就是有質(zhì)量但不存在體積與形狀的點(diǎn)。在地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)中，球中任一點(diǎn)對(duì)太陽(yáng)的位移、速度和加速度都略有差別，但地球半徑遠(yuǎn)小于地球太陽(yáng)間的距離，上述差別也遠(yuǎn)小于地心的位移、速度和加速度，可以忽略不計(jì)，仍可視公轉(zhuǎn)為質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)物體本身的大小在所研究的問(wèn)題中可以忽略時(shí)，也能當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)來(lái)處理。類(lèi)似質(zhì)點(diǎn)的客觀實(shí)體還有點(diǎn)電荷、彈簧振子、單擺、理想氣體、理想電流表、理想電壓表等等。研究這些物體時(shí)我們可以用對(duì)象模型的方法。

2.在研究聲音的傳播需要介質(zhì)時(shí)，把正在響鈴的鬧鐘放在玻璃罩內(nèi)，逐漸抽出其中的空氣，聽(tīng)到的響聲逐漸變小。如果玻璃罩內(nèi)的空氣全部抽完，那么就聽(tīng)不到聲音了。在這里，我們可以把玻璃罩內(nèi)的環(huán)境理想成真空狀態(tài)，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。這種建模方法我們把它叫作條件模型。條件模型就是將已知的物理?xiàng)l件理想化，舍去條件中的次要因素，抓住條件中的主要因素，為問(wèn)題的討論和求解起到搭橋鋪路、化難為易的作用。例如，我們?cè)谘芯績(jī)蓚€(gè)物體碰撞時(shí)，因作用時(shí)間很短，忽略了摩擦等阻力，認(rèn)為系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變。條件模型的建立，能使我們研究的問(wèn)題得到很大的簡(jiǎn)化。類(lèi)似的情況還有力學(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.在研究物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果物體沿著直線做快慢不變的運(yùn)動(dòng)，我們把它叫作勻速直線運(yùn)動(dòng)。勻速直線運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是瞬時(shí)速度的大小和方向都保持不變，加速度為零，是一種理想化的運(yùn)動(dòng)。勻速直線運(yùn)動(dòng)并不常見(jiàn)，我們可以把一些運(yùn)動(dòng)近似地看成是勻速直線運(yùn)動(dòng)。如：滑冰運(yùn)動(dòng)員停止用力后的一段滑行，站在商場(chǎng)自動(dòng)扶梯上的顧客的運(yùn)動(dòng)等等。我們可用v=x/t求得他們的運(yùn)動(dòng)速度。為了使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化，我們?cè)谘芯窟@類(lèi)問(wèn)題時(shí)可以建立起狀態(tài)的或過(guò)程的模型，叫作過(guò)程模型。過(guò)程模型就是將物理過(guò)程模型化，將一些復(fù)雜的物理過(guò)程經(jīng)過(guò)分解、簡(jiǎn)化、抽象為簡(jiǎn)單的、易于理解的物理過(guò)程。例如，為了研究平拋物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，我們先將問(wèn)題簡(jiǎn)化為下列兩個(gè)過(guò)程：第一，質(zhì)點(diǎn)在水平方向不受外力，做勻速直線運(yùn)動(dòng)；第二，質(zhì)點(diǎn)在豎直方向僅受重力作用，做自由落體運(yùn)動(dòng)?？梢?jiàn)，過(guò)程模型的建立，不但可以使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化，還可以加深學(xué)生對(duì)有關(guān)概念、規(guī)律的理解，有利于培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性。類(lèi)似的情況還有力學(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)中的等溫變化等等。

4.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(chē)受到的拉力等于沙和沙桶的重力。其實(shí)，小車(chē)受的拉力不是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(chē)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(chē)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。數(shù)學(xué)模型就是為了某種目的，用字母、數(shù)字及其他數(shù)學(xué)符號(hào)建立起來(lái)的等式或不等式以及圖表、圖像、框圖等描述客觀事物的特征及其內(nèi)在聯(lián)系的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)表達(dá)式。單擺做簡(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(mǎn)足簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的條件?？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(guò)程規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。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。

建模在物理教學(xué)中應(yīng)用的必要性有以下幾點(diǎn)。

1.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(wàn)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。

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

3.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(wèn)題化繁為簡(jiǎn)、化難為易，起到事半功倍的效果。每一個(gè)物理過(guò)程的處理，物理模型的建立，都離不開(kāi)對(duì)物理問(wèn)題的分析。教學(xué)中，通過(guò)對(duì)物理模型的設(shè)計(jì)思想及分析思路的教學(xué)，能培養(yǎng)學(xué)生對(duì)較復(fù)雜的物理問(wèn)題進(jìn)行具體分析，區(qū)分主要因素和次要因素，抓住問(wèn)題的本質(zhì)特征，正確運(yùn)用科學(xué)抽象思維的方法去處理物理問(wèn)題的能力，有助于學(xué)生思維品質(zhì)的提高，有助于學(xué)生去掌握物理學(xué)的研究方法。

在某種意義上說(shuō)，物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程可以說(shuō)是一個(gè)不斷建立模型，運(yùn)用模型和修正模型的過(guò)程。物理學(xué)很多基本規(guī)律和基本理論的建立，往往都是以能揭示事物本質(zhì)特征的某種簡(jiǎn)化模型為基礎(chǔ)的。所以可以這樣說(shuō)，各種物理模型的建立和發(fā)展是物理學(xué)深度和廣度發(fā)展的重要標(biāo)志。我們?cè)谖锢斫虒W(xué)中和學(xué)習(xí)中運(yùn)用建模方法是很有必要的。