周曉波

學(xué)生步入高中后，學(xué)習(xí)物理的第一課就涉及到一個物理模型——質(zhì)點，隨著學(xué)習(xí)的深入，越來越多地發(fā)現(xiàn)建模與物理學(xué)習(xí)密不可分.那么，高中物理建模有什么策略呢？本文就該話題結(jié)合教學(xué)實踐談幾點筆者的看法，望能有助于教學(xué)實踐.

1 高中物理模型的分類

縱觀整個高中物理教材，涉及到哪些物理模型呢？筆者從事物的客觀存在性、條件、物理過程進行分類，將物理模型分為如下幾類.

（1）客觀物體模型

在高中物理規(guī)律探究和應(yīng)用的過程中，有些物體是客觀存在的，不過在分析時忽略其次要因素，通過簡化或抽象建立起來的理想化模型.

例如，力學(xué)中的質(zhì)點；電磁學(xué)中的點電荷；熱學(xué)中的理想氣體；光學(xué)中的點光源等等.

（2）條件模型

高中物理研究的問題往往是從現(xiàn)實生活中抽象過來的，實際上這些問題往往會受到條件的制約，為了研究的方便，抓住問題的決定性條件，而建立起來的條件模型.

例如，力學(xué)中的光滑斜面、光滑水平面、輕質(zhì)細繩、輕質(zhì)桿；電磁學(xué)中的穩(wěn)壓電源、勻強電場、勻強磁場；熱學(xué)中的絕熱容器等等.

（3）過程模型

高中階段研究的運動或是物理變化過程往往也是抽象的、理想化的模型.

例如，力學(xué)中的自由落體運動，平拋運動（拋體運動），這些運動過程都有一定的抽象，首先研究的客體要抽象為質(zhì)點模型，同時對于條件也進行了抽象，整個運動過程忽略一切阻力.

2 高中物理建模的方法

建模是研究高中物理問題的一種重要方法，那么建模有沒有方法呢？細致地分析高中物理教學(xué)中涉及到的模型，其建構(gòu)方法大致可以分為如下幾種：

2.1 抽象法

該方法是建模過程中最常用的方法.在運用抽象法進行建模時，首先科學(xué)分析事物的各個方面，分析其具有哪些屬性，再分析其對研究問題的主、次影響，為取舍奠定基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上從研究目的和需要出發(fā)，科學(xué)取舍抽象出核心屬性.

例如，在研究電學(xué)實驗的一些問題時，電路中的導(dǎo)線到底要不要算電阻呢？此時，從導(dǎo)線在實驗中的作用來看，主要是導(dǎo)電性能，所以在研究問題的過程中我們忽略了其導(dǎo)熱性能以及其他的物理屬性，將導(dǎo)線抽象為了理想導(dǎo)體.而在研究遠距離輸電問題時，則由于輸電線非常長，相對于用電戶而言，其電阻阻值無法忽略，所以我們不能視其阻值為零，此時我們?nèi)绾翁幚砟?？將其簡化為阻值均勻分布的?dǎo)體.

2.2 類比法

科學(xué)家在建立模型時，常常使用類比法，這種方法往往用于研究未知模型，而從現(xiàn)象出發(fā)進行推測將其他模型與之相類比，構(gòu)建模型.

例如，選修3-5中的核式模型，就是盧瑟福將原子結(jié)構(gòu)與行星的運動相類比，建立起來的原子結(jié)構(gòu)模型.再例如，物質(zhì)波的概念和實物的波動理論的建立，就是建立在對光的粒子性、波動性的類比后的推測，德布羅意將微觀粒子與光進行類比，既然都具有粒子性，那么微觀粒子是否也具有波動性，具有波粒二象性呢？

2.3 理想法

構(gòu)建物理模型是對研究的物理對象或現(xiàn)象進行抽象、理想化的過程，理想法是建模的重要方法.

通常包括對象、條件、過程、實驗的理想化.如質(zhì)點、點電荷、理想彈簧、輕質(zhì)桿等等都屬于對象的理想化；光滑、絕熱屬于條件的理想化；勻速圓周運動、平拋、等壓變化等等都屬于過程的理想化；實驗的理想化則包括實驗條件的理想化（如伽利略理想斜面實驗）和實驗器材的理想化（理想電表等等）.

2.4 等效替代法

（1）過程的等效替代

如，實際運動如圖1（1）所示，從P點沿水平方向向豎直光滑墻壁拋出一個小球，球與墻壁之間是彈性碰撞（不計機械能損失），已知拋出點距離地面高度為h，距離墻壁的水平距離為s，落地點距離墻壁的水平距離為2s，這個過程是學(xué)生所不熟悉的情境，怎么辦呢？這個過程可以等效處理為如圖1（2）所示的平拋運動進行處理.

（2）效果的等效替代

如，力的合成與分解，合力與分力在效果上來看，其實質(zhì)上就是等效替代的關(guān)系.幾個力的合力或某一個力的分力，其實是從效果相同的角度建立起來的物理模型.

（3）結(jié)構(gòu)的等效替代

如，電學(xué)中求最大功率的問題和實驗誤差分析，均可以從結(jié)構(gòu)上進行等效替代.

等效1：如圖2所示，定值電阻R1與滑動變阻器R2串聯(lián)接在電源兩端，電源電動勢為E，內(nèi)阻為r，求滑動變阻器R2的阻值為多大時，其消耗的電功率最大？

對于這個問題學(xué)生的認知基礎(chǔ)在哪里——電源的最大輸出功率，為此我們在引導(dǎo)學(xué)生解決問題時，可以將圖2中的定值電阻R1與電源整體等效為新的電源，整個電路結(jié)構(gòu)等效為如圖3所示的電路.

等效2：電學(xué)實驗部分測電源的電動勢及其內(nèi)阻是高中階段重要的實驗，其中誤差分析，真實值和測量值之間的關(guān)系，學(xué)生容易混淆，有沒有好的辦法幫助學(xué)生理解概念呢？可以從結(jié)構(gòu)上利用等效法進行建模.

該實驗的電路圖最基本的有如圖4所示的（a）、（b）兩種.

將電壓表和電流表視作為可以反映自身電壓和電流的特殊電阻，再與實際電源進行串、并等效得到新的電源E′、r′（圖5（a）、（b）），考慮實驗測量值實際上是等效電源的電動勢和內(nèi)阻，從而得到測量值與真實值的關(guān)系.

當然，我們在高中物理課堂教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生建模必須注意模型與實際物體的區(qū)別，必須注意實際情況和理想條件的

區(qū)別，究竟用什么模型來代替實際物體，決不可以它們的外形特征或某些表面因素為依據(jù)，必須結(jié)合所研究問題實際的需要，根據(jù)不同的需要抽象成為不同的理想模型，同時要讓學(xué)生明確理想模型和實際物體是兩回事，前者是科學(xué)抽象，后者是客觀存在，前者是簡單的，后者是復(fù)雜的，同時在抽象為物理模型的過程中，必須確保模型與原形特征的一致性，當然，一物可以有多種模型，解決問題時要反復(fù)比較抽象模型與問題中原型特征符合的程度，然后確定究竟選何種模型解決問題.