《物理模型的建立》doc版.doc

浅谈物理问题的模型化上海市育民中学物理组 薛霞 物理学是现代科学技术的基础,它的成就和研究方法已渗透到了几乎所有的科学领域,而且在培养思维能力和实验能力等方面有不可替代的作用.物理学研究的主要方法之一是理想模型。为了形象、简捷的处理物理问题，人们经常把复杂的实际情况转化成一定的容易接受的简单的物理情境，从而形成一定的经验性的规律，即建立物理模型。研究物理问题首先要确定研究对象，明确它的运动状态，处于一定运动状态的研究对象就是我们下面要讨论的“物理模型”。一、模型的种类 （一）物理对象模型 实际物体在某些特定条件下往往可抽象为理想的研究对象，即物理对象模型。物理中常见物理对象的理想模型有：质点、弹簧振子、单摆、点电荷、光线、点光源、原子的汤姆逊模型和卢瑟福模型等。如研究竖直放置在光滑圆弧形轨道上的物体作小幅度运动时就可以把它等效为单摆模型处理；研究跳水运动员时就要把跳水运动员看作全部质量集中在其重心的一个质点模型。 （二）物理过程模型 将实际物理过程进行处理，忽视次要因素，考虑主要因素；忽略个性，考虑共性，使之成为典型过程，即过程模型。比如：匀速直线运动，匀变速直线运动，抛体运动，匀速圆周运动，简谐运动，质点运动的自由落体运动，电学中的稳恒电流，热学中的等温变化、等容变化、等压变化、绝热变化等等都是物理过程、物理状态的模型。比如：发射炮弹时炮弹在炮筒里的运动，火车、汽车等交通工具在开动后或停止前的一段时间内的运动，石块从不太高的地方下落的运动等。由于它们的运动都很接近匀变速直线运动，我们可以把它们的运动当作匀变速直线运动来处理。 （三）理想化实验模型 在实验的基础上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，根据逻辑推理法则，对过程进一步分析、推理，找出其规律。伽利略就是从斜槽上滚下的小球上另一个斜槽，后者坡度越小，小球滚得越远的实验基础上，提出了他的理想实验，从而推倒了延续两千年的“力是维持运动不可缺少的原因”的结论，为惯性定律的产生奠定了基础。 （四）模拟式模型 物理概念和规律在形式上是抽象的，在内容上是具体的，因此，我们可以用模拟式模型来描述。比如：关于电场和磁场中引入的电场线、等势面和磁感线等就是模拟式模型。其实，电场线、等势面和磁感线都是为了研究电场和磁场而引入的一系列假想曲线（面），但是这些曲线（面）并非人们单凭主观愿望臆造出来的，用电场线、等势面和磁感线这些模拟式模型能使一些看不见、摸不着的客观事物变得具体化、形象化。 二、运用物理模型解题的基本步骤模型化阶段是解题过程中最重要的一步，模型化正确与否或合理与否，直接关系到物理问题解决的质量。物理模型的建立有的较为简单直接，如：木块，小球，光滑平面，匀速圆周运动，匀速运动等，这些在读题后就立刻能在大脑中形成时空图像，而有些物理情境在审题时不能直接在大脑中形成时空图像，需要经过思维抽象，抽象研究对象的物理结构，抽象研究对象的过程模式，经过一番努力才会在脑中渐渐浮现较为清晰的物理模型。 运用物理模型解题的基本程序为： （1）通过审题，摄取题目信息如：物理现象、物理情景、物理状态、物理过程等 （2）弄清题给信息的诸因素中什么是主要因素突出主要矛盾，忽略次要因素，但是近似处理不能随心所欲，既要有理论根据，又要和实际过程或科学实验相符合。（3）寻找与已有信息（熟悉的知识、方法、模型）的相似、相近或联系，通过类比联想或抽象概括、或逻辑推理、或原型启发，建立起新的物理模型，将新情景问题转化为常规问题 （4）选择相关的物理规律求解物理模型的建立 三、“建模”时教师的几点策略培养学生建立物理模型的方法，是物理教学中科学方法教育的一项重要内容。我们可以在以下方面作一些尝试：（一）实验启发实验是物理学的基础，所以在建立物理模型时离不开实验。其一般方法是先做有关实验，使学生在脑海中留下一个直观的、具体形象的物理模型，在此基础上作抽象引导，形成一种思维轮廓，变成具有思维特征的物理模型。然后再利用学生思维中已经建立起来的物理模型去解决一些实际问题。这样建立起来的物理模型学生印象深刻。如：介绍伽俐略的理想实验 时可以利用一个圆轨道，一根直尺，一颗小球便能说明小球能运动到等高的地方，摩擦力可以忽略不计；又比如电场线的实验模拟。（二）多媒体课件展示有些模型很难用具体的实物进行实验向学生展示，如：电磁波的发送和接收，天体的运动，还有像电磁流量计等涉及立体的方向的，这时我们可以利用现代的多媒体技术将一些难以用传统手段完成的物理过程清晰地展现在学生的面前，让学生有一种身临其境的感觉，刺激感观，形成深刻的感性认识，为学生建立物理模型提供感性材料，而避免了大量琐碎的语言表述。（三）通过定义，进一步理解物理模型的内涵 有些物理模型的建立，没有实验可做，学生的感性知识又少，模型本身很抽象，这就需要从模型本身的特点先给予定义，然后在运用中进一步体会模型的内涵。例如建立“理想气体”模型，首先给出一个框架，严格遵守气体实验定律的气体，称为理想气体。然后分析实际气体与理想气体的区别，并说明实际气体在压强不太大（与大气压强相比），温度不太低（与室温相比）的情况下，可以近似视为理想气体。最后运用理想气体的定义处理具体问题。经过一段时间的运用之后学生就会更加清晰理解“理想气体”的内涵，达到熟练掌握的程度。（四）相似模型进行类比对于与原模型有相近的运动状态或相似物理性质的现象，可以根据已熟悉的事实经验，找到彼此间相应的联系，探明其形式的本质过程的统一，把待解问题纳入到已有的解题模式中去。例如：固定在一根轻质直杆两端的小球，绕杆上某点作匀速圆周运动，或两点电荷绕连线上一点做匀速圆周运动，都可以和双星模型进行类比。再比如很多运动都可以类比为平抛或单摆运动，(五) 通过练习，强化对物理模型的理解如质点的模型，先定义在物体的大小和形状不影响所要研究的物理问题时，可将物体看作有一个有质量的点，即质点。再通过大量的例子进行练习判断，强化能看作质点的条件。 再例如在题目中出现“轻质”即为不考虑重力和质量，“接触面光滑”即为不考虑摩擦，“两物体间的距离远大于它的线度”意为物体可以视为质点，所以教师在例题的教学中和学生一起审题时，应该注意着重引导分析，首先让学生理解题中的物理图景，明确题中所强调的条件