（仙游華僑中學(xué)，福建莆田351200）

物理理想模型的建立與中學(xué)物理教學(xué)的探究

陳薇薇

（仙游華僑中學(xué)，福建莆田351200）

在物理學(xué)中，為探究物理現(xiàn)象、得出物理概念，經(jīng)常利用理想化的模型用于探求物理法則。物理理想模型的建立需遵循一定原則，并且符合一定的要求。同時理想模型的特點，對物理學(xué)、社會生活、科學(xué)技術(shù)等方面的發(fā)展具有非常重要的意義。而模型在中學(xué)物理課堂也得到一定的運用，通過建立理想化模型方法有利于學(xué)生處理現(xiàn)實矛盾，排除自身疑惑。從中學(xué)物理教學(xué)模型化的分析與中學(xué)物理教學(xué)的一些實例討論，我們可以得出理想模型對中學(xué)物理教學(xué)效果的促進(jìn)表現(xiàn)。

理想模型建立；物理理想模型法；中學(xué)物理教學(xué)應(yīng)用

一、引言

為探尋物理情境、總結(jié)規(guī)律常采用理想模型建立方法，即利用理想化方法將實際矛盾問題變簡，抓住本質(zhì)排除非本質(zhì)特征以探索物理情境。實際教學(xué)上理想模型的應(yīng)用較少，學(xué)生也普遍缺乏模型概念，不清楚模型建立的思想、方法，不能充分發(fā)揮理想模型在中學(xué)物理教學(xué)上的作用。

二、物理理想模型建立的原則和要求

理想模型具備一定的創(chuàng)立流程，了解其具體建立要求較為必要，這對深入分析理想模型具有相當(dāng)重要的意義。

（一）物理理想模型建立的原則

在理想模型的建立上，存在一定的建立原則，主要有三點。一是主要因素與次要因素的選擇，二是具體問題上應(yīng)具體分析，三是對建立后的模型進(jìn)行檢驗。

1.抓住主要因素，忽略次要因素

影響事物問題的因素很多，其中有本質(zhì)影響也有非本質(zhì)的作用。有些因素影響極大，并不能忽略；相反有些因素的影響不明顯，忽略之后對問題的研究沒有本質(zhì)上影響。面對復(fù)雜問題，就需要確定研究對象，抓住要點，即“抓住主要因素，忽略次要因素”這一建立原則對問題進(jìn)行研究，簡化問題。

例如分析一物體在水平面上的運動狀態(tài)。首先明確所研究的對象；其次分析主要因素和次要因素：若物體上所有的點運動情況是相同，則這時候物體的運動就與物體的形狀、大小無關(guān)，只與物體質(zhì)量相關(guān)。所以此時抓住質(zhì)量，排除形狀、大小作用影響，就能夠把這個物體當(dāng)作質(zhì)點進(jìn)行分析，簡單化問題從而解決矛盾。

又例如彈簧振子是忽略了次要因素（摩擦力等阻力及彈簧質(zhì)量等因素）的影響，又將金屬小球看做質(zhì)點，抓住機械能完全守恒這一主要因素，建立而成的用于研究簡諧振動規(guī)律的理想模型。彈簧振子將問題去復(fù)雜，研究起來較為簡單、方便。

2.具體問題，具體分析

建立理想模型時還需要具體問題具體分析。研究物體運動，若物體可看做質(zhì)點，則還需分析其處于什么情境下的運動。

例如，質(zhì)點僅在重力作用下既可做自由落體運動，還可做拋體運動等。［1］不一樣情況下物體所受力存在差別，運動情況也有差異?；蛘呷绻矬w的形狀、大小對運動有影響。例如物體做轉(zhuǎn)動運動，這時候就需要考慮剛體運動，而不是單純的看做質(zhì)點運動。所以面對實際問題時，模型建立還需具體問題具體分析。

又例如建立理想氣體模型，這時氣體中的分子之間接近于沒有相互吸引力，分子之間發(fā)生的碰撞幾乎不造成動能損失，由此忽略極小影響因素而建立起模型。此時模型對探尋情境有簡化功能。但在實際生活中氣體狀態(tài)改變較為明顯地偏離氣態(tài)方程，這時候需要對理想氣態(tài)方程進(jìn)行修正，所以解決客觀問題，建立理想模型還應(yīng)該遵循具體問題具體分析。

3.對模型進(jìn)行檢驗

建立完模型，應(yīng)對其進(jìn)一步地進(jìn)行檢驗。結(jié)合理論判斷理想模型是否具有合理存在性，分析檢驗理想模型的準(zhǔn)確度。根據(jù)分析的結(jié)果，對其進(jìn)行進(jìn)一步的修改，從而使理想模型趨于完善。理想模型的檢驗對于模型的建立是必要的，這一原則保障了建立的理想模型的科學(xué)性，說明了模型建立的嚴(yán)謹(jǐn)性。

例如在a粒子散射實驗中，盧瑟福察覺物理實驗現(xiàn)象并不可以由以前的原子模型理論進(jìn)行推導(dǎo)解釋。而如果把原子看作一個被縮小的太陽系，電子像行星繞太陽旋轉(zhuǎn)那樣圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)這樣一種模型，則能夠成功地解釋a粒子的大角度散射問題，故而誕生了盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型，為人們進(jìn)一步認(rèn)識微觀世界邁出了極其重要的一步。［2］所以模型建立過程，對建立的模型需要進(jìn)行實驗檢驗其合理性，確保模型的科學(xué)性。

（二）物理理想模型建立的要求

理想模型的建立并不是憑空想象的，它需要一定的依據(jù)支撐，具有一定的條件、要求。

1.要對問題進(jìn)行分析

要建立理想模型，首先應(yīng)對其問題分析，明確問題的本質(zhì)，才能舍棄不必要因素，從而建立符合問題的理想模型。

2.需要一定的理論支撐

理想模型建立過程中，不能違背本質(zhì)的物理基礎(chǔ)。而是根據(jù)一定物理本質(zhì)，進(jìn)行簡化處理。

3.需要對模型進(jìn)行驗證

建立模型后，有時還需要對其進(jìn)行實驗驗證或用于實際操作中。證明其準(zhǔn)確性，是否可用及適用的條件。

三、物理理想模型建立的特點和意義

模型的建立因遵循一定原則要求，所以其具有一定的特點。而理想模型的建立也對物理學(xué)發(fā)展、社會科技的提高產(chǎn)生了重要積極的影響，具有重要意義。

（一）物理理想模型建立的特點

無論是建立在對象、條件還是過程的理想化模型，對于問題及其普遍規(guī)律的研究都具有一定的意義。物理理想模型的建立具有一定近似性、局限性和實驗性。

1.近似性

由于理想模型的建立是將事物問題理想化，所以具有近似性。例如力學(xué)上研究的只有一定質(zhì)量沒有一定形狀和大小的質(zhì)點，在任何外力作用下都不能發(fā)生形變的剛體。［3］它們都是將其非本質(zhì)因素排除，考慮本質(zhì)因素影響近似概括建立而成，其過程具有近似性。

2.局限性

由于理想模型是根據(jù)一定條件要求而建立的模型，所以建立過程具有一定的局限性。例如，質(zhì)點這一模型只適合用在物體的大小與形狀所起的影響較小或者影響可以忽略不計的情況。由于過程的限制性，當(dāng)物體形狀大小對問題探究具有較大影響不能被排除時（例如研究物體轉(zhuǎn)動），就不能采用質(zhì)點模型，而應(yīng)再進(jìn)行分析以找出其它更為恰當(dāng)?shù)哪Ｐ?，所以理想模型建立具有局限性?/p>

3.實驗性

理想模型建立需要適當(dāng)?shù)睦碚撝С?，要運用普遍的物理基本法則進(jìn)行分析探究，但模型創(chuàng)立有時還會采取通過實驗途徑進(jìn)行。例如а粒子散射實驗建立了原子核式結(jié)構(gòu)模型；光電效應(yīng)證實了光子的粒子性模型。

（二）物理理想模型建立的意義

理想模型的建立在實際問題解決中具有巨大影響，分別體現(xiàn)在概念的形成、問題探究及教學(xué)效果等方面的價值意義。

1.理想模型是形成物理概念、建立物理規(guī)律的基礎(chǔ)［4］

物理學(xué)的存在是為尋求實際生活中廣泛存在的各類根本運動形態(tài)及它們之間彼此的影響，對事物運動的這些影響進(jìn)行說明，把物理學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出來，使人們了解世界，改變世界。為達(dá)到這樣的目的，必須得表達(dá)出物體的主要特征及其主要變化規(guī)律，由此為基礎(chǔ)而建立起統(tǒng)一的、科學(xué)的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢韺W(xué)基本體系。

因為客觀世界物質(zhì)的雜亂、繁復(fù)、豐富性，所以如果一概根據(jù)物理事物原來的表象分析探究，問題則會變更加困難化。沒有理想模型很多物理問題將呈現(xiàn)棘手、復(fù)雜的狀況，很難進(jìn)行下去。所以我們說理想模型是物理概念形成以及物理規(guī)律建立的基礎(chǔ)，它的存在非常重要。

2.理想模型為科學(xué)技術(shù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)

在物理學(xué)里，現(xiàn)實的具體研究事物雖然直觀，但因為過程的復(fù)雜性經(jīng)常會掩蓋本質(zhì)特性，所以我們通過理想模型建立進(jìn)行分析。根據(jù)所揭示的性質(zhì)及規(guī)律舍棄研究對象的其它大量的次要材料，使所探究的問題顯示出主要特征。這就更加能夠發(fā)揮科學(xué)的邏輯思維能力，進(jìn)而突破社會的科學(xué)技術(shù)現(xiàn)狀，指導(dǎo)新的物理探究方向，預(yù)見新的物理現(xiàn)象、規(guī)律。理想模型對物理學(xué)和現(xiàn)實生活所起的重要作用是巨大的，它為深入的科學(xué)研究做出了貢獻(xiàn)，使物理研究更加地規(guī)范化與科學(xué)化，進(jìn)一步推動了社會的發(fā)展。

3.理想模型促進(jìn)提升物理教學(xué)效果

理想模型給學(xué)生展示了基礎(chǔ)的物理知識、規(guī)律，培養(yǎng)其思維能力，促進(jìn)提升了教學(xué)上的效果。由模型入手使得物理定律更簡明了，便于掌握和理解概念，促進(jìn)物理教學(xué)，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性。教師恰當(dāng)?shù)剡\用理想模型建立思想進(jìn)行教學(xué)，可以讓學(xué)生學(xué)會從事物的眾多因素影響中把握主要因素，進(jìn)而解決實際復(fù)雜問題。

四、物理理想模型法在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

理想模型的建立對于物理教學(xué)有著重要作用，特別是對于中學(xué)物理教學(xué)有著重要的基礎(chǔ)作用。模型的建立為學(xué)生學(xué)習(xí)該學(xué)科夯實了基礎(chǔ)，為其今后深入學(xué)習(xí)、探究問題提供了科學(xué)思想。可見在中學(xué)物理教學(xué)中，學(xué)生學(xué)會物理理想模型的建立思想、掌握模型建立的方法對其深入學(xué)習(xí)物理學(xué)科有著重要的意義，同時對于提高中學(xué)物理教學(xué)質(zhì)量也有著巨大的作用。所以在中學(xué)物理教學(xué)上應(yīng)注重物理理想模型的應(yīng)用。

（一）物理理想模型教學(xué)法

在中學(xué)物理教學(xué)中，不能只局限于知識的傳授，單純讓學(xué)生記住規(guī)律進(jìn)行計算，而應(yīng)滲透物理理想模型的建立思想，教授學(xué)生用模型理想化的方法思考問題。教師通過建立理想模型方式進(jìn)行課堂講課，讓學(xué)生獲取學(xué)識、提升才能，并能夠受益。

理想模型教學(xué)法是為研究問題的本質(zhì)過程，排除非本質(zhì)作用，將復(fù)雜問題簡單化，進(jìn)而形成抽象的理想化模型的教學(xué)方式。例如教學(xué)初中物理中研究光的規(guī)律時，采用光線這一具有方向的實線理想模型來代表光，通過這一模型進(jìn)行物理規(guī)律探究，達(dá)到將問題形象化的目的，明顯減少了原來問題的復(fù)雜性。

而在實際問題中，物理現(xiàn)象和過程一般都比較復(fù)雜，涉及到多種因素影響，這時采用物理理想模型方法可起到簡化問題的作用。一般建立理想模型方法解題分為確定研究的對象、明確主要影響因素、排除次要因素、分析物理現(xiàn)象達(dá)到發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的幾個過程。在教學(xué)過程中，運用理想模型教學(xué)法能夠幫助學(xué)生更好地解決較為復(fù)雜的問題，令學(xué)生更加明確影響事物的主要因素，有利于學(xué)生有效地進(jìn)行學(xué)習(xí)。

（二）中學(xué)物理教學(xué)模型化

根據(jù)模型研究建立特點，物理理想模型教學(xué)充分有利于實際復(fù)雜問題的解決。在中學(xué)物理教學(xué)中可運用物理理想模型教學(xué)思想，使中學(xué)物理教學(xué)模型化。

1.抽象性與形象性統(tǒng)一

物理教學(xué)體現(xiàn)了抽象性與形象性統(tǒng)一，表現(xiàn)了教學(xué)模型化。

例如質(zhì)點模型的建立主要利用了抽象的方法，用一個沒有大小、形狀，只有質(zhì)量的幾何點(具有抽象性)來代替實際的物體(具有形象性)，是抽象性與形象性的統(tǒng)一體。

同樣理想模型建立中有些則用看得見的幾何線條描繪抽象的概念、規(guī)律，例如用磁感線（形象性）表示不可見的磁場（抽象性），也是兩者的統(tǒng)一。

所以由模型建立的抽象性與形象性表明了中學(xué)物理教學(xué)模型化的特點。

2.近似性與科學(xué)性統(tǒng)一

理想模型設(shè)立是通過討論眾多影響成分，把握本質(zhì)成分舍棄非本質(zhì)成分，具有近似性。例如平拋運動、自由落體運動等模型，都是在省略空氣阻力作用根本上，近似創(chuàng)立的理想化模型。

物理問題研究中通過實驗證明理想模型準(zhǔn)確與否，說明了其模型建立擁有科學(xué)性。例如盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型的提出，都是建立在對實驗事實分析的基礎(chǔ)上，其具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)性。

物理教學(xué)過程教授學(xué)生近似性與科學(xué)性的思想，體現(xiàn)兩者的統(tǒng)一，體現(xiàn)了教學(xué)模型化。

3.假定性與實驗性統(tǒng)一

理想模型源自現(xiàn)實，又超過現(xiàn)實，是研究過程想象力與創(chuàng)造性的結(jié)晶，因此理想模型建立前具備假定性。同時建立的模型正確性又要靠實驗來檢驗，又反映了實驗性。例如玻爾針對盧瑟福原子模型，假定其與經(jīng)典理論相同來進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)其與經(jīng)典電磁理論的矛盾，從而建立了玻爾原子模型。

教學(xué)過程也是通過假定進(jìn)行分析，運用實驗進(jìn)行驗證，體現(xiàn)了教學(xué)模型化。

（三）中學(xué)物理教學(xué)的實例

1.實例1

題目：一跳水運動員從離水面10米高的平臺向上躍起，舉雙臂直體離開臺面，此時其重心位于從手到腳全長的中點，躍起后重心升高0.45米達(dá)到最高點，落水時身體豎直，手先入水（在此過程中運動員水平方向的運動忽略不計）,從離開跳臺到手觸水面，他可用于完成空中動作的時間是秒（g取10m/s2）。

分析：首先確定研究對象,即運動員；其次由題目可以看到運動員從手到腳的全長未知，若考慮運動員的整體形狀、大小變化，則情況將變得復(fù)雜。由于運動員從臺面跳起到最高點過程中我們只知道重心升高的長度，卻不知道具體手到腳的全長以及運動身體形狀的情況下造成了問題的復(fù)雜度。

這時若假定手到腳的全長為一固定值，不考慮形狀變化時（將人看作一形狀不變的固定有限長度的直線），則如圖1所示。可見全長為固定值，重心位于中心時，從最高點到手剛觸到水面時，重心位置高度變化了10.45米，也就是說明運動員跳水過程可以不計手到腳的全長，只考慮重心的位置變化來分析此問題。

若不考慮全長，考慮形狀變化分析問題，可以看到從臺面到最高點形狀對于運動員運動情況并無影響，同樣從最高點之后往下跳到手接觸水面，這個過程中形狀有無變化對其運動情況也沒有影響。運動員在整個過程中的動作的伸展、擺臂等動作是次要因素，對題目幾乎無影響，可以忽略。由此可知在這個問題中，形狀的變化并不影響運動過程分析，可以排除這個次要因素。

綜上可以看到，運動員的運動過程可以忽略手到腳的全長（大?。┘靶螤钭兓?，只考慮重心的變化（重心在過程中可能也會發(fā)生細(xì)微的變化，屬于次要因素，影響忽略），也就是可以排除未知、無關(guān)項及次要因素的干擾，將運動員看作是一質(zhì)點，質(zhì)點的位置在重心處。這樣就將問題抽象為質(zhì)點的運動，簡化了問題，方便了問題解決，進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生的辯證思維，分別從不同方面進(jìn)行分析。

由此，運動員的跳水運動就為一質(zhì)點向上豎直上拋運動與自由落體運動，此過程又忽略了空氣等阻力的影響（屬于次要影響因素，對運動過程分析影響不大），只考慮受重力的作用（即考慮主要因素）建立而成。

可見在這個題目分析中建立了兩個理想模型：一個是質(zhì)點，另一個是將運動過程看作豎直上拋與自由落體運動。這樣，問題解決的方向就明確了，也提供給學(xué)生新的學(xué)習(xí)分析思維方法。通過理想模型的建立也使物理實際復(fù)雜問題得到了明顯的簡化，引起學(xué)生興趣，調(diào)動學(xué)生積極學(xué)習(xí)。

從上可見，理想模型教學(xué)幫助學(xué)生分別從不同方面研究問題，傳輸給學(xué)生辯證的思維；同時從分析過程逐步地進(jìn)行思考，也有利于引導(dǎo)學(xué)生形成自己科學(xué)的學(xué)習(xí)方法。所以運用物理理想模型思想進(jìn)行教學(xué)對于中學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)科是必要的。

2.實例2

題目：如圖所示，兩種不同的正離子（不計重力）垂直射入偏轉(zhuǎn)電場，從偏轉(zhuǎn)電場射出時具有相同的偏轉(zhuǎn)距離y（偏轉(zhuǎn)電壓U保持不變），則兩種離子進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場前只要滿足。

分析：首先確定研究對象為正離子，其次分析其影響因素偏轉(zhuǎn)電場。在中學(xué)物理中常探究帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)問題，一般都把電場條件理想化，即一般探究的是勻強電場中的偏轉(zhuǎn)問題。由此建立起了一種理想化的模型——勻強電場中帶電粒子的偏轉(zhuǎn)模型。題目中偏轉(zhuǎn)電壓保持不變，說明正是理想化模型。該模型通過將電場理想化，以便于探究帶點粒子在電場中的運動規(guī)律。而理想化模型的物理規(guī)律可通過類比平拋運動規(guī)律來進(jìn)行，幫助學(xué)生進(jìn)一步對平拋過程的掌握。此題的對模型的剖析也幫助了學(xué)生對該題建立的電場偏轉(zhuǎn)模型問題的理解與記憶。

通過模型教學(xué)進(jìn)行分析該題得：不計重力則該模型僅受電場力，由于電場恒定、離子帶正電，所以電場力的方向與電場方向一致，電場大小F=。所以離子的加速度為a=。運用類平拋規(guī)律，水平方向：L=v0t；豎直方向：；所以，偏轉(zhuǎn)距離：

由此學(xué)生便可得出結(jié)論：兩種離子進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場前只要滿足比荷和速度都相同，其偏轉(zhuǎn)距離相同，得出答案。

通過建立理想模型法，使學(xué)生得到并進(jìn)一步掌握物理規(guī)律，理解了物理過程。同時通過對平拋運動的回顧，水平、豎直方向運動的分析，進(jìn)一步鞏固了學(xué)生的知識體系。而理想模型探究過程的科學(xué)性也有利于學(xué)生形成科學(xué)的態(tài)度，進(jìn)而建立起科學(xué)的物理知識體系。

物理學(xué)中的理想模型是使問題研究簡化的一種模型，能使學(xué)生學(xué)會確定研究目標(biāo)，找出主要矛盾，忽略次要矛盾，確定模型來分析問題的辦法，幫助學(xué)生得出更符合實際的規(guī)律。通過建立理想模型法，學(xué)生的知識體系將更加完整，思維更具有辯證性。

［1］任海權(quán).對初中物理教學(xué)的思考［J］.大觀周刊,2012(13）.

［2］王剛志.大學(xué)物理中的理想化模型［J］.中國輕工教育, 2004(4).

［3］宋鳳忠.物理學(xué)研究中的理想化方法［J］.濮陽教育學(xué)院學(xué)報,1999(3).

［4］蘇彥斌.淺析物理模型在初中物理的作用［J］.陜西教育, 2011(11).

（責(zé)任編輯：詹國榮）