李喬中

【摘要】本文從物理模型的種類、特性、建立和應用上闡述了物理模型教學方法，旨在加強學生對物理概念、規(guī)律的理解，培養(yǎng)分析解決物理問題的能力。

【關(guān)鍵詞】物理模型教學；理想化；思維能力

所謂物理模型就是對所研究的對象和過程摒棄無關(guān)因素，略去次要因素后，所建立起來的能反映事物本質(zhì)特征的抽象模型。加強物理模型教學，讓學生了解物理模型的意義、特點及建立過程，并運用物理模型解決實際問題，這是培養(yǎng)物理思維能力的一個重要途徑。

一、物理模型的種類

物理模型分類有不同的標準。以研究的目的為標準，物理模型可分為描述對象、狀態(tài)和過程模型。描述對象模型有質(zhì)點、單擺、理想氣體、點電荷、勻強電場、勻強磁場和點光源等；狀態(tài)和過程模型有勻速運動、彈性碰撞和簡諧運動等。以作用效果為標準，可分為作用等效模型（如兩個分力之合力），過程等效模型（如平拋運動與水平方向勻速運動和豎直方向自由落體運動的合運動等效）。利用作用等效模型可幫助理解概念，培養(yǎng)逆向思維能力；利用過程等效模型可培養(yǎng)分析解決問題和“躍遷思維”能力。

二、物理模型的特性

物理模型一般應具有以下三個特性：（1）簡化性。把問題轉(zhuǎn)化為理想物理模型，會使繁雜問題簡單化，隱晦問題明朗化。（2）代表性。通過對事物類化的過程，可使物理模型成為具有同樣屬性事物的代表。（3）變化性。把本來就具有多重性的事物，轉(zhuǎn)化成不同的物理模型。

三、物理模型的建立

物理模型是通過抽象概括建立的。比如質(zhì)點是一個具有質(zhì)量的幾何點，由于很多力學問題中物體的大小和形狀的影響可以不計，為了突出物體的質(zhì)量這個主要因素，經(jīng)過物理抽象建立質(zhì)點模型。建立物理模型的原則：（1）根據(jù)所研究問題的需要和可能，突出研究對象的主要因素，忽略次要因素，將研究對象理想化。例如理想氣體模型的建立，就是突出了氣體實驗定律中參量之間的關(guān)系，而忽略了對這些參量關(guān)系的約束條件，認為這些參量之間的關(guān)系在任何條件下都是適用的，這樣就把實際氣體抽象為理想氣體，好似把物體抽象為質(zhì)點。（2）在模型的基礎(chǔ)上，能夠建立該領(lǐng)域的知識體系，如果一個模型不能提供一個知識體系，這個模型就沒有生命力，就沒有存在的價值。如理想氣體模型的建立，與之相應的建立了氣體分子的質(zhì)量模型，從而形成了氣體分子運動論這個知識體系。

建立理想化物理模型是一種物理的思維模式，也是物理研究的重要方法。物理學的各部分知識體系幾乎都是建立在一些模型的基礎(chǔ)上。讓學生了解物理模型的意義和建立過程，這是培養(yǎng)物理思維能力的重要途徑之一；在日常教學中強化這種建立物理模型的思想，使學生在潛移默化中提高利用模型處理物理問題的能力。

四、物理模型的應用

對物理模型認識的一般過程可以用圖1表示。對一個物理模型的掌握，關(guān)鍵在于能否運用模型解決實際問題，而運用模型時，反過來又可以鞏固建立的模型和加深對模型的理解。物理模型的運用，其關(guān)鍵在于將具體的物理問題變換為物理模型，再運用物理模型中的規(guī)律去解決。

變換物理模型的主要途徑為：

1、運用移植法變化物理模型。即把原有的處理物理問題的方法移植到不同性質(zhì)的物理模型中，以求得簡捷的解決方法。

例1：如圖2所示，BC為豎直放置的長為L=0.5m的平面鏡，一小球從某高處自由落下，其軌道跟鏡面相距d=0.25m，A處觀察者能在鏡中看到小球的像的時間為0.4s，a=b=0.4s，求小球從靜止下落到觀察者能從鏡中看到它的像時所經(jīng)歷的時間。

分析：本題運用移植法變換物理模型，把力學模型移植到光學中去求解，由平面鏡成像性質(zhì)決定0.4s內(nèi)小球下落的高度，由自由落體運動的性質(zhì)決定小球下落多長時間才能看到它的像。

2、運用等效法變換物理模型。即通過易于被研究的物理模型代替陌生、復雜的物理問題，使研究過程由難變易。

例2：如圖3所示，一長為L的細線，上端固定，下端栓一質(zhì)量為m的帶電小球，將它置于場強大小為E的水平向右的勻強電場中，當處于平衡時，細線與豎直方向成α角（α≤45°），如果使偏角由α增大到β，然后由靜止釋放，則β應為多大才能使細線到達豎直位置時，小球的速度剛好為0？

分析：本題應用等效力場模型轉(zhuǎn)換求解，本題的原型是重力場中的單擺模型，現(xiàn)在小球不僅受重力作用，同時還受到電場力作用，若將這兩個力合成一個了，則容易判斷小球的平衡位置在O點，小球從A點釋放后，在A、B之間來回振動的情況與原型類似，則小球相當于懸掛在一個特殊場中的擺球，由原型的結(jié)論推知小球通過平衡位置O時速度最大，在到達振幅位置A、B時速度為0，由對稱性可判定β=2α。

3、運用類比法變換物理模型。即同類物理問題的變換，把不易建立的物理模型轉(zhuǎn)化為已經(jīng)掌握的物理模型，縮短推理過程。

例3：如圖4所示，有一質(zhì)量為M的平板靜止于光滑水平面上，平板的左端有一質(zhì)量為m的物體以初速度v0在平板上向右滑動，摩擦力恒為f，當m與M無相對滑動時，m相對M滑行的距離s為多大？

分析：本題類似于子彈射擊木塊問題，屬于碰撞模型，利用動量守恒條件和功能關(guān)系很容易求解。

總之，在物理教學中教師要有目的、有計劃地應用物理模型的變換方法來研究和處理比較復雜的物理問題，并及時歸納、總結(jié)、提高，這不但能使學生加深對物理概念和規(guī)律的理解，提高解題技巧，促進知識的遷移、技能的培養(yǎng)，而且還對開發(fā)創(chuàng)造性思維、培養(yǎng)分析和解決問題的能力有明顯效果。