理想模型论文.doc

密 级 公 开 本科生毕业 学位 论文本科生毕业 学位 论文 浅谈物理模型在中学物理教学中的应用浅谈物理模型在中学物理教学中的应用 张俊 2008061204 指导教师姓名 刘晓春 职 称 讲师 单 位 物理与电子科学系 专 业 名 称 物理学 论文提交日期 论文答辩日期 学位授予单位 黔南民族师范学院 答辩委员会主席 论 文 评 阅 人 20 年 月 日 目 录 中文摘中文摘 要要 1 ABSTRACT 1 0 引引 言言 1 1 1 物理模型的概念 分类和特物理模型的概念 分类和特 征征 1 1 11 1 物理模型的概物理模型的概 念念 1 1 21 2 物理模型的分物理模型的分 类类 2 1 31 3 物理模型的特物理模型的特 征征 2 2 2 物理模型的作物理模型的作 用用 3 3 3 物理模型在中学物理教学中的意物理模型在中学物理教学中的意 义义 4 4 4 结结 语语 4 5 参考文参考文 献献 4 浅谈物理模型在中学物理教学中的作用浅谈物理模型在中学物理教学中的作用 张俊 2008061204 黔南民族师范学院 2008 级 2 班 贵州 都匀 558000 摘要摘要 为了使人们逐渐掌握和理解物理学的重要和基本规律 物理学中用理想化模型代替实在 复杂的 物理研究对象 即所谓的理想物理模型 它是物理学研究方法和逻辑思维的结晶 是研究物理规律的重要 基石 也是贯穿于整个中学阶段物理教学内容的重要组成部分 关键字关键字 物理规律 理想物理模型 研究对象 中学物理教学 Showing physical model in high school physics teaching in the role ZhangZhang junjun Qiannan Normal College for Nationalities level 2008 2 class student id 2008061204 AbstractAbstract in order to make people gradually grasp of physics and understand the important and the basic rule physics model with idealistic instead of really complex physical research object The so called ideal physical model It is physics research methods and the logic of crystallization is the cornerstone of physical laws and throughout the middle school physics teaching is an important part of content KeyKey wordword physical laws ideal physical model research object middle school physics teaching 0 0 引言引言 物理模型是物理规律和理论赖以建立的基础 在中学物理中 学生所学习 的每一条物理原理 定理或定律都与一定的物理模型相联系 解决每个物理问 题的过程 都选用物理模型 熟练使用模型方法是学生应该具备的基本物理素 质 在中学物理教学中如何引导学生对物理模型及其科学方法的正确有效建立 及其思维方法的掌握 直接关系到中午物理教学及学生学习的成败 中学生的 感性思维要大于理性思维 由于逻辑思维没有得到充分发展 处于对未知的事 物的好奇心 但他们更依赖于视觉得到的东西 而不是用逻辑思维去分析 对 于那些陌生而深奥的知识和规律他们心存恐惧 1 例如物理上的许多未知的物 理量 定律和规律 这时候就需要用一些常见的或是容易想象的模型替代 即 建立物理模型 舍弃次要因素 抓住主要因素 从而突出客观事物的本质特征 感觉是人脑对直接作用于感觉器官的客观事物的个别属性 人的认识活动是从 感觉开始的 通过感觉不仅能够了解客观事物的各种属性 而且也能够知道身 体内部的状况和变化 感觉是意识和心理活动的重要依据 是意识对外部世界 的直观反映 也是人脑于外部世界的直接联系 割断了这种联系 大脑就无法 反映客观存在 意识也就无从产生 感觉是客观内容和主观形式的统一 2 这 就是物理模型存在的意义 1 1 物理模型的概念 分类和特征物理模型的概念 分类和特征 1 11 1 物理模型的概念物理模型的概念 在物理学研究中 为了便于研究 人们在观察和实验时 会忽略研究对象 和物理过程中的次要因素而只抓住主要因素 从而掌握研究对象的基本性质和 重要物理规律 在科学研究中 一种重要的方法就是在研究事物时经常忽略事 物的次要因素而抓住事物的主要因素 从而得出事物的结果 性质或规律 同 样物理学是一门研究物质最普遍 最基本的运动形式的自然科学 而所有的自 然现象都不是孤立的 这种事物之间复杂的相互联系 一方面反映了事物联系 的的规律性 同时又存在许多偶然性 使我们的研究产生了复杂性 这种把物 理研究对象形式化 纯粹化的方法是一种理想化的方法 理想化的研究对象就 是物理学中的理想化物理模型 理想化物理模型是学习物理知识的还重要方法 和手段 在中学物理知识构架和学习中始终起着非常重要的作用 所谓的物理 模型 即建立在分析现象与机理认识基础上的模型 1 21 2 物理模型的分类物理模型的分类 物理模型分为三类 物质模型 状态模型 过程模型 1 物质模型 物质可分为实体物质和场物质 实体物质模型有力学中的质点 轻质弹簧 弹性小球等 电磁学中的点电 荷 平行板电容器 密绕螺线管等 气体性质中的理想气体 光学中的薄透镜 均匀介质等 场物质模型有如匀强电场 匀强磁场等都是空间场物质的模型 2 状态模型 研究流体力学时 流体的稳恒流动 状态 研究理想气体时 气体的平衡态 研究原子物理时 原子所处的基态和激发态等都属于状态模型 3 过程模型 在研究质点运动时 如匀速直线运动 匀变速直线运动 匀 速圆周运动 平抛运动 简谐运动等 在研究理想气体状态变化时 如等温变 化 等压变化 等容变化 绝热变化等 还有一些物理量的均匀变化的过程 如某匀强磁场的磁感应强度均匀减小 均匀增加等 非均匀变化的过程 如汽 车突然停止都属于理想的过程模型 模型是对实际问题的抽象 每一个模型的建立都有一定的条件和使用范围 学生在学习和应用模型解决问题时 要弄清模型的使用条件 要根据实际情况 加以运用 比如一列火车的运行 能否看成质点 就要根据质点的概念和要研 究的火车运动情况而定 在研究火车过桥所需时间时 火车的长度相对于桥长 来说 一般不能忽略 所以不能看成质点 在研究火车从北京到上海所需的时 间时 火车的长度远远小于北京到上海的距离 可忽略不记 因此火车就可以 看成为质点 1 31 3 物理模型的特征物理模型的特征 1 科学性 模型方法是一种抓主要矛盾的方法 抓做影响问题的主要因素 突出研究对象本质特性 忽略次要特性 是一种合理的近似 所以 具有科学 性 以理想气体分子微光模型为例 理想气体即分子本身的线度与气体分子间 的平均距离相比可以忽略不计 除碰撞的瞬间外 分子之间以及分子与容器器 壁之间都无相互作用 2 抽象性 抽象是建立物理模型的基本思维方法 许多物理模型特别是理想 物理模型都是抽象的产物 理想模型是科学抽象与概括的结果 在物理学中到 处可见 如质点 理想气体 点电荷 线电流等 例如 质点模型是用一个没 有大小 形状 只有质量的几何点来代替实物 3 假定性 由于物理事物的复杂性 某些物理事物的本质 组成 结构 规 律等比较隐蔽 在搞不清楚时候 人们在研究观察时会先提出假说 建立物理 模型 例如哥白尼关于天体运行的太阳系模型 卢瑟福关于原子的核式结构模 型 关于原子核的壳层模型等 当然 物理假说的正确性要用物理实验来检验 并不断完善和修正 4 形象性 建立物理模型的过程既利用了抽象思维的方法 也利用了形象类 比等形象思维的方法 是抽象思维和形象思维共同作用的过程 因而也具有形 象性 物理学家邓锡铭 1987 年提出的以光流体模型处理光束传输问题的方法 就借助了物理直觉形象 他把光想象为一种流体 由于光流体模型的建立 使 得光束传输的几何光学特性和波动光学特性结合了起来 既直观 有形象 而 且因具有严密的物理学理论基础而不失其周密性和细致化 5 局限性 物理模型是在一定条件下正确反映了研究对象的本质特性 因此 一切物理模型都具有一定的适用范围和限制 不能过分夸大 不然会产生错误 例如 用气体的弹性刚体模型解释粘滞系数与温度的关系时与实际产生偏差等 2 2 物理模型的作用物理模型的作用 中学物理模型教学包括物理概念 规律和习题解析等方面的应用 我们通 过对物理模型的教学时学生能够 建立模型 概括总结 触类旁通 利用等效 法化简为繁 从个别到一般的认识方法 物理模型的作用主要有以下三个方面 1 使复杂问题简单化 等效的问题在不少的物理过程或现象中也是存在的 如做功和热传递在改变物体内能方面是等效的 如果我们在应用物理模型时采 用等效法去建立物理模型 将会使问题大大的简化 3 物理学研究对象是十分 复杂的客观世界 其起作用的因素很多 需要把复杂问题简单化 便于人们理 解和掌握 而模型方法恰好体现 抓主要矛盾 突出问题的本质 可以使研究 工作大为简化 例如 在研究物体的机械运动时 实际上的运动往往非常复杂 不可能有单纯的直线运动 匀速运动 圆周运动 为了使研究变为可能和简化 我们先忽略某些次要因素 把问题理想化的方法 如引入匀速直线运动 匀变 速直线运动 匀速圆周运动和简谐运动等理想化的运动 以便于学生更好的理 解 由浅入深逐步掌握物理知识 这就是先建立理想化的物理模型 然后在一 定条件下 用于处理某些实际问题 最后达到教学目的 2 逐步逼近实际 应用模型方法研究物理问题 能使问题的本质突出 关系 明朗 有利于问题的解决 但我们也要看到次要因素虽然对研究对象影响不大 但是还是有影响 所以忽略次要因素得到的结论必然是近似的 与实际有一定 差距 弄清楚主要因素后 在考虑次要因素 这样做一级近似就逐渐逼近实际 而建立物理模型为研究实际事物 原型 提供一个比较的标准 从而开辟了研 究实际事物的特征和变化规律的途径 例如我们在研究机械能守恒时 我们经 常会用到 光滑 这个字眼 其实在现实中光滑是不存在的 但是我们可以通 过这种假设的理想状态来研究整个过程 这样得出的实验数据再与理论想比较 最后再推广到实际中 这样就可以更好的理解误差的来源 也方便学生理解机 械能守恒的由来 可以加强记忆 3 做出科学预言 作为对物理事物简化描述的物理模型 不仅能够解释物理 现象和实验定律 而且常能做出科学预言 例如在热机效率的研究中 人们实 际热机的效率总是小于可逆卡诺热机的效率 这就启发人们在设计热机时 尽 可能接近于卡诺热机 以提高热机效率 在固体理论的研究中 常常以没有 缺陷 的理想晶体作为研究对象 当时从应用量子力学对理论晶体进行计算 的结果 发现理想晶体的强度竟然比普通金属材料大一千倍 物理学家认为 理想晶体的强度竟然比实际晶体大一千倍 那么常见的金属材料强度之所以减 弱 就是由于有许多 缺陷 加入能减少材料中的这些缺陷 那就能提高金 属材料的强度 从而大大减少金属 实践证明 物理学家的预言是正确的 在中学物理教学中 物理模型可以培养学生正确的科学思维方法 中学物 理教学中培养学生正确的思维方法是提高物理思维能力的基础 初学物理的学 生往往只注意知识的学习 并不关心思维方法是否正确 而在整个中学的物理 学习中 不同阶段的物理学习思维方法有不同的要求和特点 对此特点和规律 的掌握直接影响学习物理思维的发展和学习效果 因此引导学生建立和运用正 确的思维方法至关重要 在物理教学过程中物理模型的建立和分析过程就是科 学的思维方法培养和建立过程 由此能使学生运用物理思维方式正确透彻理解 物理概念 物理规律和掌握 理解物理运动的过程 4 同样 物理模型还可以便于学生理解物理学中的难点 中学物理教材中有 很多物理知识比较抽象难懂 学生不容易理解和掌握 我来模型就是科学抽象 方法的一种形式 它是以客观实在为原型经过科学抽象的产物 是客体主要特 性的反映 通过物理模型的教学 突出问题的主要因素 忽略次要因素 帮助 学生建立清晰起的物理研究对象 达到疏通思维道理 使物理问题化繁为简 化难为易 起到降低教学难度的作用 易于学生理解和掌握物理研究对象的本 质特性及其规律 如质点 理想气体 点电荷 点电源等等 学生在理解这些 概念时 很难把握其实质 而建立概念模型是一种有效的思维方式 3 3 物理模型在中学物理教学中的意义物理模型在中学物理教学中的意义 教师在教学中必须认识研究教材 吃透教材 将各章节知识系统化 5 在 此基础上形成物理模型 在以物理模型作为教学的切入点 二学生通过物理模 型的应用可以使抽象 复杂的物理问题形象化 具体化 便于物理知识应用于 实际 便于学生对知识的学习 同时物理模型的建立过程对学生认识和处理问 题有着重要指导和现实意义 由于客观事物具有质的多样性 它们的物理性质和运动规律往往是很复杂 的 不可能一下子把它们的规律全面认识和掌握清楚 因而在中学物理教学中 长采用物理模型来代替实在的客观物体 可以使物体的性质和规律具有比较简 单简明的形式 从而便于学生认识和掌握它们的概念 运动规律及其本质特征 建立物理模型也是一种科学的研究方法和思维方式 它的运用有助于学生思维 品质的提高 建立和正确使用物理模型可以提高学生理解和接受新知识的能力 同时也有助于学生掌握物理学的研究方法 可使学生对物理本质的理解更加细 致深入 对物理问题的分析更加清晰明了 所以 物理模型在物理教学中有着 重要的物理思维方法 物理研究方法等方面的价值意义 4 4 结语结语 物理模型在物理学研究和教学中有着非常重要的作用 它是学生学习物理 知识的基石 同时 物理模型也贯穿于整个中学物理教材的个部分的内容中 学生对于一些重要物理知识 规律的掌握 理解及其思维能力的培养都建立在 对物理模型的掌握和理解之上 所以 中学物理教学过程中的各个阶段都要特 别注意对学生物理模型的建立 理解 掌