物理方法与物理建模

1、物理方法与物理建模关键词 建模 实验 理想模型 等效 微元摘要 建立模型以实验为基础，学会常见科学方法。一问题的提出实施素质教育，高考物理题型出现了很多以现实生活实例和现代科技应用立意的物理模型构建题。能够从具体实际事物中抽象出其本质特征，建立物理模型是中学思维能力培养的重要方法。在传统的物理教学中，由于三重三轻现象普遍存在这将导致了研究物理学的科学研究方法的价值大量流失，因为科学方法比知识本身更富有创造价值这些科学方法，是无数科学家的智慧结晶，是物理学的精髓所在学会科学方法，会终生受益。  二如何建模模型是大概念，它包括定义公式理论规律等。从书本的理论知识到实际应用，关键

2、在于从问题中抽象出物理模型模型是连接理论和应用的桥梁；经验材料、实验事实和背景知识是构建物理模型的基础；而抽象、等效、假设、类比微元等则是构建物理模型的基本方法   1以实验为基础物理学是实验学科，利用实验可对学生进行一些基本科学方法训练，（1）实验归纳法,如凸透镜成像规律研究。（2）实验验证法，如动量守恒（3）理想实验法,例如惯性定律。进行演示和学生实验对于培养学生的观察能力和实验能力，培养学生的实事求是的科学态度，和提高学生学习物理的兴趣以及学习的积极性和主动性，都具有不可替代的重要作用。通过简化情景，控制变量，从简单的现象开始研究，让学生自己动手做。对演示实

3、验首先应要求学生仔细观察现象，对观察到的现象进行认真的分析，才能使用人们逐步地认识客观规律，人们通过实验现象归纳抽象出物理概念，探索出物理规律，这些规律还要受实验的检验。这就是说物理科学理论是在实验的基础上建立起来的。当然，在实验的过程中是要观察的，也是要动手的，但是观察什么，怎样观察，动手做什么，怎样做，这些都是总的实验设计思想下进行的，从本质上来说，实验是人为地创造一个环境，人为地控制物质变化的过程，在一个理想的环境下排队干扰，突出主要因素进行的操作。2培养科学的物理方法（1）、理想化方法是物理科学研究中最基本、应用最广泛的方法物理学所分析、研究实际问题往往很复杂，有众多的因素，为了便于着

4、手分析与研究，物理学往往采用一种“简化”的方法，对实际问题进行科学抽象化处理，保留主要因素，略去次要因素，得出一种能反映原物本质特性的理想物质（过程）或假想结构，此种理想物质（过程）或假想结构就称之为物理模型。因此，物理模型是人们通过科学思维对物理世界中的原物的抽象描述；是按照物理学研究的特定目的，用物质形式或思维形式对原型客体本质关系的再现。人们通过对物理模型的认识与研究，去获得关于原型客体的知识及其在自然界中的运动变化规律，它是一种物理科学研究的常用方法，可概括为下述模式：物理教材中“质点”是一个只有一定质量而没有一定形状和大小的概念，是一个重要的概念。教学中，首先向学生设置一个简单的问题

5、：长300米火车经过900米铁路桥所需时间2分钟，求平均速度。引导分析时，突出火车的形状、长度在研究问题中的影响。然后类比设疑；（1）长300m的火车从成都开往南充，两地500Km,用时5h，求平均速度。此处火车形状对研究问题有无影响？（2）在研究地球绕太阳作公转时，地球比火车大得多，地球的形状和大小对研究的运动有何影响？又怎样处理呢？理想模型是典型模型，我们在平时的教学中应加强探讨过程，利用各种手段使学生理解模型，结合生活建立模型。 例1一跳水运动员从离水面10m高的平台上向上跃起,举双臂直体离开台面，此时其重心位于从手到脚全长的中点跃起后重心升高0.45m达到最高点，落水时身体竖直，手先入

6、水(在此过程中运动员水平方向的运动忽略不计)从离开跳台到手触水面，他可用于完成空中动作的时间大约是_s。解：把运动员当全部质量集中于重心的质点处理，忽略其他因素，把跳水简化为竖直上抛运动 （1）起跳速度Hm= 所以V0=3m/s，取向上为正，把上抛运动全过程作匀变速处理。所以- h=V0t-gt2 5t2-3t-10=0 t=1.75(s) （2）、等效方法是物理学研究中最普遍、表述最简洁的方法在电路中，有两个电阻的连接方式是串联的，那么总电阻就是原来阻值之和，如果原来两个电阻的连接方式是并联的，那么总电阻就是原来阻值倒数之和的倒数，在这里所谓的总电阻就是与原来的电阻是等效的，等效方法是不论性

7、质的，这种思想方法的准则只有一条，那就是保持效果相同，不同性质的力可以合成，为的是得到一个等效的力，做功和热传递在改变物体的内能上是等效的，但它们的本质并不相同。有了等效的思想，可以把一个有漏电的电容器等效为一个理想的电容器和一个电阻的并联，把一个有电阻的线圈等效为一个理想的线圈和一个电阻的串联。一个实际的复杂运动等效为几个简单运动组成。实际电源等效为一个理想电源串连一个内阻。甚至在处理不同的物理问题时，还可以有具体方法上的等效，比如解决力学问题方法与几何光学方法的等效，电磁学量与力学量的等效等。物体的运动有相互作用往往比较复杂，当一个物理事物与另一个（或几个）物理事物在相同情景下产生效果相同

8、时，我们往往将复杂的物理事物转化为等效、简单、易于研究的物理事物，这种方法称为“等效替换”，“等效”思想研究和解决物理学问题的一种很重要的思想，利用等效可以把相同或不同问题等效为典型模型。例1见图：电磁流量计广泛应用于测量可导电液体（如污水）在管中的流量（在单位时间内通过管内截面的液体的体积）。为了简化，假设流量计是如图所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a，b，c，流量计的两端与输送液体的管道相连接（图中虚线）。图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料。现于流量计所在处加磁感强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面。当导电液体稳定地流经流量计时，在管

9、外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R的电流表的两端连接。I表示测得电流值。已知液体的电阻率为，不计电流表的内阻，则可求得流量为：A、 B、C、 D、该题等效三个物理模型：一是相当长度为C的金属棒以速度v垂直切割磁感线；二是长为C，截面积为ab的长方形电阻模型；三是电磁流量计工作时就相当于一个恒定直流电路。流量计上下表面间的液体运动，相当于长度为c的金属导体棒切割磁感线，有=，从而流量。 例2右图为人手臂面骨骼与肌肉的生理结构示意图，手上托着重量为G的物体，（1）在方框中画出前臂受力示意图（手、手腕、尺骨和挠骨看成一个整体，所受重力不计，图中O点看作固定转动轴，O点受力可以不画）。（2）根

10、据图中标尺估算出二头肌此时的收缩约为 。解：本题只是将生理结构示意图等效为固定转动轴物理平衡的理想模型，即可，F×1=G×8 所以F=8G（3）、物理学是最深刻，最能体现科学美的方法物理难学，学生头痛的是物理头绪多，遇到问题无从下手，如何建立模型。教学物理就是让学生欣赏与感受美引导学生探讨美理解美，建立模型。牛顿力学把地上的和天上的运动统一起来，麦克斯韦电磁理论把电现象、磁现象和光现象统一起来，粒子的波粒二象性概念把粒子运动和波动统一起来，原子、分子结构理论把宇宙才物统一本源，能量概念沟通了力热、电、磁、光、原子等领域，质能方程E=mc2把质量和能量、实物和场统一起来，等等

11、。这些模型建立无不显示着多样性的统一的美。一个很简单的公式包涵极其深刻的内容，或者一个理论的推论却很多，这种简单性才能给人以美感。简单性和统一性的内涵是共通的。统一性是指内容美。简单性则是指表达形式美。例如，物理量的矢量表示及其运算方法，给人以简单明快之美；牛顿第二定律F=ma和质能方程E=mc2，以简单的数学形式概括了极其深刻而丰富的内容，当人们的理解愈深刻时，就愈能深刻感到它们的美，这种美既在内容上具有多样性的统一美，又在形式上具有简单性的美。探索物质世界时空的形象对称性始终是物理学的热门话题之一，最形象的要数镜像对称。诸如物体竖直上抛和斜抛运动的上升过程与下降过程的时空时称；在交流电和电

12、磁振荡研究中出现的时间对称。物理学公式、定律表达方式上和理论结构上所反映的对称性更是不胜枚举。诸如电磁学中静电力的平方反比定律的公式表达就是追求跟万有引力平方反比定律的对称而获得的。类比是表现对称美的另一侧面，电阻R类比电场强度E与磁感强度B,重力做功类比移动电荷做功。在千变万化的物理现象中，找出它们共同具有的不变的因素或特征，就具有守恒性的美。物理学中如质量守恒，电量守恒、能量守恒、动量守恒、角动量守恒等，均是变化现象中某些物理量的守恒。真空光速不变性以及万有引力恒量、普朗克常数等，也具有守恒性的美。（4）、微元法是物理学中最具有数学化、又最能体现辩证思想的方法。微元法就是将研究对象分割成许多微小单元，从中选取一个小单元进行研究。找出整体规律，这一方法的优点在于，可以将变量难以确定的量转化为常量，将曲线化为直线。用已学过的规律进行研究。比如在变速直线运动中的瞬时速度问题，就是把匀变速直线运动的过程用微元法来处理，取一小段作匀速运动处理，这样一小段的平均速度就接近瞬时速度。还有圆周运动中的向心加速度问题，凸透镜的折射问题等都可以用微元法进行分析解决。微元法是在中学物理教学中比较难以掌握的方法，是运用数学工具比较多的方法，但是，微元法不仅是一个方法技巧，更是一个物理思想，一个辨证哲学的思想，对于一个具体的物理实体或物理过程，对它取微元进