物理模型思维方法的认识、理解和运用.doc

物理模型思维方法的认识、理解和运用罗兆华（遂昌中学， 浙江 丽水 323300 ）进入二十一世纪，新课程改革更加关注学生的发展，课程目标注重提高全体学生的科学素养，从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个方面培养学生。而“模型”的思维方法是物理学研究的基本方法，也是学生解决实际问题的重要途径，是中学生学习物理课程必须要涉及和掌握的重要方法。中学生解决物理问题的过程，就是正确选用物理模型，运用物理模型的过程。所以，教师在高中物理教学中，一定要重视物理模型思维方法的教学，提高学生建立物理模型、运用物理模型的能力。本文结合自己的教学实践，谈谈如何在教学中培养学生运用模型解决问题的能力，与同行们交流。1 认识物理模型思维方法是物理学的基本方法普通高中物理课程标准（实验）要求：通过物理概念和规律的学习过程，了解物理学的研究方法，认识物理实验、物理模型和数学工具在物理学发展过程中的作用。课程标准把物理模型提高到了与物理实验、数学工具同样的高度，充分肯定了物理模型思维方法在物理学发展中的重要地位。物理模型的思维方法是物理学研究的基本方法。自然界中物质的运动是复杂的，受许多因素的影响，为了更好地抓住事物的本质，需要把复杂、具体的事物用简单、抽象的模型来代替，以突出主要矛盾，舍去次要矛盾，使具体问题抽象化、复杂问题简单化而易于研究。如果不分主次，把所有的因素都考虑在内，就难以进行研究，找出其规律。比如，研究地面附近小球由静止下落的运动。小球下落时，影响小球下落的因素很多首先是重力，根据万有引力定律，它随高度的变化而变化；其次是空气阻力，它与小球的形状、大小和下落速度有关，也将不断地变化；其它还有风速、地球自转等的影响，都综合考虑，就会使研究变得十分困难，而实际上也没有必要。因为在事物的发展过程中，有许多的矛盾存在，但其中必有一种是主要的矛盾，由于它的存在和发展，规定或影响着其它矛盾的存在和发展。在小球下落的运动中，重力的作用是主要的，且高度变化不大，可认为重力是恒定的。当小球下落速度不大，我们可以不计空气阻力的作用，也不考虑地球自转等的影响，这样就可以将复杂的问题简单化，小球下落的运动看作是只受恒定重力作用的运动自由落体运动。这就是一个模型化的物理过程，伽利略正是运用这个模型，总结出自由落体运动的规律。物理学中总结出的规律，实质上都是物理模型的运动规律。对于具体物理过程，则可以在建立模型解决主要问题之后，再根据实际问题与物理模型之间的差别对结果加以修正。气体的状态变化遵循一定的规律。如一定质量的气体，保持温度不变，其压强与体积成反比。但随着气体温度降低、压强增大，实际测量的结果与定律描述的结果差别就越来越大。为了研究方便，物理学引入了理想化模型“理想气体”，使得气体状态变化规律的描述更加简单、明了、和谐。且在常温、常压下，实际的气体如氢气、氧气、氮气、空气都很好地遵循气体实验定律，这是物理模型思维方法的巨大成功。2 理解物理模型思维方法的基本特点物理模型是对研究对象进行科学抽象得出来的理想化模型。中学物理涉及的物理模型主要有以下三种：对象模型。即把物理问题的研究对象模型化，如：质点、点光源、点电荷、原子模型等。上述“理想气体”就属于对象模型。过程模型。即把研究的物理现象的实际运动过程进行近似处理，排除其在实际运动过程中的一些次要因素的干扰，使之成为理想的典型过程。如“匀速直线运动”、“匀速圆周运动”、“自由落体运动”等。条件模型。即排除物体所处外部条件的次要因素，突出主要方面。如“接触面光滑”、“绝热”等。物理模型及其模型思维方法有其自身的特点，认识它的特点，有助于掌握物理概念和规律，掌握模型思维方法，提高科学素养：同一物体，因研究问题不同可抽象为不同的模型。比如，同是放在斜面上的一个物体，在研究物体沿斜面滑动（平动）时，把它抽象为质点模型；在研究物体是否会翻转时，就应把它抽象为刚体模型。条件变化，主要因素和次要因素会发生转化。在研究物理问题中，突出主要矛盾，摒弃次要因素，而建立了物理模型。但是当某些条件发生变化时，次要因素又会转化为主要因素，使得原有模型失效，应用物理规律出现较大的偏差，所以模型以及与模型化的物理过程相关的规律都有一定的适用范围。如库仑定律是建立在“点电荷”模型基础上的。当两个带电体非常接近时，“点电荷”条件不能成立，就不能应用库仑定律，否则就会推出静电力无穷大的荒谬结论。在通常情况下，气体分子之间的距离远大于分子直径，略去分子本身大小，而抽象出“理想气体”模型。在压强不太大，温度不太低的条件下，应用理想气体状态方程解决实际气体的问题，误差很小，是可行的。但在高压、低温的条件下，气体密度增大，气体分子的体积与气体分子运动所占据的空间可比拟时，理想气体与实际气体相差甚远，这时将气态方程应用于实际气体，就没有意义了。物理模型是不断地发展、完善的。物理模型是在一定的科学技术水平和认识水平上，对某一实物、过程、条件抽象的结果。随着科技进步，实验手段更新，新的实验事实发现以及经验材料的积累和科学理论的发展，它会暴露出一些缺陷和局限性，需要根据新的背景，修正物理模型，甚至抛弃旧模型，重新建立新模型。如卢瑟福的核式结构模型虽然成功地解释了粒子散射实验，但它与经典电磁理论矛盾。玻尔在核式结构的基础上，部分地引入了量子化的观点，提出了“玻尔原子模型”，成功地解释了氢光谱的规律。但用玻尔原子模型解释多电子原子的光谱时，理论推导的结论跟实验出入很大，暴露了玻尔理论的局限性。十年之后，人们又提出了建立在量子理论基础上的原子模型，不但成功地解释了玻尔原子模型所能解释的现象，而且能解释大量玻尔原子模型不能解释的现象，原子模型得以进一步完善。3 提高运用物理模型思维方法的能力运用物理模型思维方法就是要能够建立物理模型，从实际情形中辨认出物理模型，能够注意模型与实际物体的区别和联系，达到正确选用规律、解决问题的目的。在应用物理规律解决问题时，首要的任务是根据给定的、具体的物理情景，将相关的对象确认为合适的物理模型。要明确研究对象是什么？具有什么特点？可以视为什么模型（对象模型）；它做什么运动？具有什么特点？可以用什么模型（过程模型）来描述。“质点”是学生进入高中阶段认识最早、也是最重要的理想模型。教学时，要帮助学生积累素材，如研究地球绕太阳的公转运动，描述地球的位置时，要不要考虑地球的大小呢？研究地球自转时，要不要考虑地球的大小呢？在火车进入火车站时，播音员总是播报“列车驶入某某站”，为什么不是说“列车车头进入某某站，而车尾尚未进入”？通过展示建模的过程，使学生认识到建立“质点”模型的必要性，了解把物体当作“质点”的条件。ABC图1合理的近似是建立物理模型常用的手段。学生往往习惯于严密的数学推理，对处理物理问题过程中的一些近似方法觉得难以把握，其原因就在于不会放弃，不能突出主要矛盾。在建立物理模型的过程中，要引导学生“忍痛割爱”，懂得“有舍才有得”的道理。如图1所示，A、B两小车质量均为M，A车上挂一小球C，小球的质量为。两车以大小都为 v 的速度相向而行，水平地面摩擦不计，两车相碰后即连在一起，且碰撞时间极短。求：当小球摆到最高点时，两车运动速度的大小。这里“碰撞时间极短”很重要，它隐含一个近似条件碰撞过程中小球相对小车移动的距离很小，即认为它相对小车未发生移动，悬挂小球的细线保持竖直，小球速度保持不变成为解题的切入点。运用模型，要注意归纳和辨认。有些问题表面上看相差甚远，但实际是同一模型的不同表现形异质同。在建立了“单摆”这一理想化模型，学习了单摆的周期公式之后，就可以解决单摆的一系列问题：在竖直的光滑圆弧轨道内小球作小幅度运动的时间问题；小球在竖直加速运动的升降机内摆动的时间问题；带电小球在复合场中的小角度摆动问题等。也有一些问题表面上是相似的，但实际是不能用同一模型进行处理的形同质异。如：相同的摆处于不同的环境中作小角度振动（如图2），讨论环境对振动周期的影响。甲摆所处的升降机竖直向上加速运动；乙摆的小球带正电，处于竖直向下的匀强电场中；丙摆的小球带正电，在悬点处也安放了一个正电荷；丁摆的小球带正电，处于匀强磁场中，它作振动的平面与磁场方向垂直。甲情形中的加速、乙情形中电场力的作用，等效于重力加速度增大了，使振动周期变小。而丙球受到静电BaE+q+q+q+q甲乙丙丁图2力、丁球受到的洛伦兹力都是法向力，不产生切向加速度，所以不会影响周期的大小。Vadcbv图3运用模型时，还要注意相似模型的差别，如轻绳模型与轻杆模型的差别。注意理想模型与实物原型的差别。原型是模型的基础，模型是原型的简化与纯化，是原型的主要属性的抽象体，但它不能反映原型的全部属性。例如，在通常情况下电压表都是作为理想电表，它是测量电压的仪表，它的示数指示出电表两端的电压。但是，电压表接在有电压的两点间不一定有示数。如图3，线框abcd的ab边接有电压表，在匀强磁场中沿垂直于磁场的方向作匀速运动，求：a、b两点间的电压U=? 电压表的示数U=? 有些学生就把两者等同起来，没有考虑到作为实际的电压表，必须要有电流通过，才能驱使指针偏转而显示电压值。如上所述，物理模型思维方法是物理学研究和物理教