付淑婷

摘 要：為順應(yīng)新時代下教育發(fā)展的潮流，喚醒人們對物理模型的重視，本文通過對模型概念的分析，進(jìn)一步闡述了模型在物理學(xué)發(fā)展過程中的作用，并通過具體實(shí)例加以論證。

關(guān)鍵詞：物理模型;作用;物理學(xué)

前言

當(dāng)今社會是一個日新月異的時代，科技與經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，信息和世事瞬息萬變。物理學(xué)科核心素養(yǎng)對學(xué)生的發(fā)展提出了多方面的要求。在這其中思維與觀念的發(fā)展則是重中之重難上加難，鍛煉思維與樹立觀念很重要的一點(diǎn)在于模型建構(gòu)，由此我們可以看出模型有著舉足輕重的作用。我們將眼光放寬，縱觀整個物理發(fā)展史同樣離不開物理模型的推動。換句話說，一部物理學(xué)史發(fā)展其實(shí)就是一個關(guān)于模型發(fā)展變化的進(jìn)化史。

1、物理模型的含義

什么是模型？模型的原是依照事物原型按比例制成的物品。錢學(xué)森先生曾給模型下過這樣的定義：“模型是通過對問題現(xiàn)象的分解、利用我們考慮得來的原理吸收一切主要因素、略去一切不是主要的因素，所創(chuàng)造出來的一幅圖畫”?？陀^世界的現(xiàn)象是復(fù)雜多樣的，任何客觀事物都具有眾多的特性、不同的層次，許多本質(zhì)的、非本質(zhì)的聯(lián)系交織在一起，大量的偶然現(xiàn)象、偶然因素掩蓋著事物必然的規(guī)律和本質(zhì)的因素。為深入揭示客觀事物內(nèi)部的本質(zhì)的規(guī)律，我們就需要基于研究的問題的對客觀事物進(jìn)行簡化與理想化處理，抓住主要特征、摒棄次要因素，從而得到現(xiàn)實(shí)中客觀事物的映像，這就是物理模型。

2、物理模型的作用

2.1物理模型可以將原型理想化處理

物理模型是事物原型的簡化或是純化。通過對事物原型進(jìn)行操作，從而抽象出所探索事物的理想化形態(tài)。任何一類物理模型，在建立的過程中都需有客觀存在的原型為依托，并依據(jù)原型本身抓住問題的主要因素，保留核心。在這里，我們不妨逆向思考，既然物理模型是事物原型進(jìn)行了理想化的形態(tài)，那必然“原型的簡化”本身也是它的作用之一，換言之，物理模型正是對事物原型進(jìn)行簡化，進(jìn)而突出影響事物發(fā)展變化的本質(zhì)聯(lián)系，最終起到使研究工作順利進(jìn)行的作用。我們不妨利用具體事例說明這一點(diǎn)。自由落體運(yùn)動，簡單說，就是一個物體從高處釋放，由靜止開始下落的運(yùn)動。如果我們不建立理想化物理模型的概念，那么這個過程便不會像筆者描述的如此簡單，甚至對于它的研究，一度會變得無從下手。在實(shí)際情況中，下落的物體會受到各式各樣因素的影響，影響最大的便是重力。這是因?yàn)橹亓Φ拇笮S著小球下落過程中與地面的距離變化而產(chǎn)生變化，如若我們不理想化看待小球，不將其視作質(zhì)點(diǎn)，那力的分析就不再是簡單的質(zhì)量與重力加速度的乘積。不光是這一點(diǎn)，像空氣阻力、小球外形、地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)等都會對下落產(chǎn)生影響從而增加我們研究的難度，但正是因?yàn)槟Ｐ偷睦硐牖饔?，我們才得以簡化對相關(guān)問題的研究。

2.2物理模型可以透過表象解釋事物本質(zhì)

在事物原型較為復(fù)雜，無法直接演示或證明定律時，利用簡化過后的物理模型，可以將原本繁瑣的過程梳理清晰，達(dá)到解釋說明現(xiàn)象原因的作用，使之成為說明事物變化規(guī)律的演繹器。例如利用理想氣體模型可以幫助我們更好的理解三大氣體定律;再比如利用金屬導(dǎo)電模型解釋歐姆定律。可能這些與我們的生活距離較遠(yuǎn)，但放眼我們身邊的例子同可以用于論證模型的這一作用。常見的繩擺實(shí)驗(yàn)，下方墜一重物讓其從鼻尖處擺動時，這一重物永遠(yuǎn)不會打到鼻尖。那么這一現(xiàn)象則可以用單擺模型做出明確解釋。

2.3物理模型可以檢驗(yàn)與更新已有理論

我們可以清楚的認(rèn)識到模型與客觀事物之間的一種聯(lián)系：簡化與純化事物;反映與解釋事物。這一部分換一種方向，思考模型與理論之間的關(guān)系。模型與理論的關(guān)系可以認(rèn)為是一種雙向建立的一個過程：從模型出發(fā)，通過對模型進(jìn)行研究與探討從而建立一種理論，進(jìn)一步的認(rèn)識事物蘊(yùn)含的物理規(guī)律，使得人們對事物的研究更透徹更貼近事實(shí)。這其實(shí)就是從模型到理論的一種更新建立過程。反過來，如果從理論（假設(shè)）出發(fā)，也是能歸納出物理模型的。為了讓大家更好的去理解這種關(guān)系，我們?nèi)杂脝螖[模型做出說明。伽利略通過觀察生活中常見的吊燈，注意到其擺動情況，從而抽象出單擺模型，并進(jìn)一步研究，成功地發(fā)現(xiàn)了單擺振動等時性這一物理規(guī)律。隨著人們對單擺現(xiàn)象研究的深入，惠更斯在單擺模型基礎(chǔ)之上進(jìn)一步演算出擺的周期公式。這便是從模型到理論的建立，反過來應(yīng)用周期公式解決幾種復(fù)雜振動現(xiàn)象則是理論對模型的一種歸納，由此可見模型與理論之間的雙向關(guān)系。

2.4物理模型可以為科學(xué)發(fā)展指明方向

物理模型是原型的簡化和純化，或者換種方法說模型是原型的一種近似反映。正式由于人們在提出或形成新模型的過程中忽略了大多數(shù)的次要因素所產(chǎn)生的干擾，從另一面講則是突出了原型（研究對象或物理過程等）的主要特征。這一過程已經(jīng)是對原有事物的一種預(yù)想，在這一基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)揮邏輯思維的力量，可以將我們研究的問題或過程甚至研究結(jié)論超越現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)水平，在思維的層面上展開研究，進(jìn)一步指出研究方向或形成科學(xué)的預(yù)見。比如在固體物理的發(fā)展中，理想晶體是常常作為研究對象出現(xiàn)在人們的視野中，隨著應(yīng)用量子力學(xué)的出現(xiàn)人們進(jìn)一步對其進(jìn)行了深入的探索，結(jié)果表明其強(qiáng)度比實(shí)際的金屬材料的強(qiáng)度高出1000倍。這使得人們意識到，通常金屬材料的強(qiáng)度之所以比理想晶體的強(qiáng)度弱可能是因?yàn)樵诮饘俨牧现写嬖谠S多缺陷。后來通過更精細(xì)的研究，人們發(fā)現(xiàn)了金屬結(jié)構(gòu)缺陷這一問題，并進(jìn)一步研究了如何減少缺陷、提高強(qiáng)度的方法。這就是模型預(yù)見性的一種體現(xiàn)。

3、結(jié)束語

模型的作用體現(xiàn)出其對物理發(fā)展的推動性與支持性。人們在認(rèn)識與改造自然界的過程中必然是使用了多種方法，但考慮到事物主次矛盾的思維方法——模型法是眾多方法中重要且不可替代的，這種思維能力在現(xiàn)如今的教育中仍是教育者的付出努力的追求。通過認(rèn)識模型，從而了解模型及其作用進(jìn)一步建構(gòu)模型形成對物理規(guī)律與概念的恰當(dāng)認(rèn)識，是新時代學(xué)生始終要具有的一種能力，也是新時代教師努力的方向。

參考文獻(xiàn)

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[2]陳顯盈，尤愛惠.建構(gòu)不同物理模型 提升學(xué)科核心素養(yǎng)——以“2020年全國中學(xué)生物理競賽預(yù)賽第11題”為例[J].物理教師，2021，42（05）：94-96.