物理模型的构建步骤及使用注意点

物理模型的构建步骤及使用注意点

作者：刘秋岳

来源：《中学物理·高中》2014年第05期

“物理模型”是高中物理知识教学与应用的载体，我们在实施教学的过程中，注重引导学生构建并运用物理模型，既培养了学生获知的方法，也提升了学生创造性思维能力.本文就物理模型构建的策略及实践案例进行简单分析，并探讨在建立和使用物理模型时的注意点，望能有助于教学实践.

1 物理模型的构建步骤

1.1 分析物理对象原型

物理模型建立的过程是对实际的物理对象进行抽象概括的过程，对原型或实际问题做出准确的、科学的抽象，本身就是一种非常严密的思维.如，“质点”这是学生进入高中学到的第一个理想模型，在建立模型时，首先应引导学生弄清“将物体简化为质点的原因”，把握建立模型的“物理需要”，接着，引导学生思考“什么时候、什么样的物体可以简化为质点”，即将思维引向对物理原型中主、次因素的分析.

1.2 分析物理对象的主、次因素

物理模型就是抓实际对象的主要矛盾和主要特点，因此在建立模型时，应引导学生分析物理对象的主、次因素，考虑在什么时候可以忽略次要特点，将客观事物的本质规律凸显出来进行深入的研究.如，“质点”这个物理模型就是忽略了大小、形状对物体运动的影响而突出质量这一主要特点所建立起来的.

1.3 基于主要因素进行科学的抽象

分析了物理对象的主、次因素后，抓住物理对象的本质特征进行合理的抽象，建立能够解释和说明问题的物理模型，揭示一类事物的本质属性及其间的联系，实际物理问题往往是很复杂的，建立模型的目的就在于定量地描述物理规律，形成系统化的理论，逐渐逼近对实际问题更为全面、真实地理解.

1.4 实验验证

“实践是检验真理的唯一标准！”模型是经过物理思维进行分析和推理建立起来的，那么是否可用呢？是否简单、高效？这些都必须经过实验验证或由实践检验.例如，平抛运动模型，运用“运动的分解”可以将平抛运动抽象为水平匀速、竖直自由落体的匀加速曲线运动，这样的抽象是否正确呢？可以借助于实验进行验证.

1.5 修正与完善

没有最准确，只有更适合、更贴近，虽经过实践、实验的检验，发现“物理模型”是有效的，为了保证“物理模型”的准确性和普适性，在模型建立后还需要对模型进行修正和完善.一个好的物理理想模型不仅是高度概括和抽象，应该具有物理对象中真实的内容，应具有客观性，能够对已知的规律和概念进行科学地解释，因为原始物理问题和自然现象具有复杂性，所以物理模型的建立要想一下子与原型相符是不可能的，一个好的物理模型是不断抽象、不断修正和完善建立起来的.

2 案例分析

案例1 “带电粒子在带电平行板间中运动”模型——“类平抛运动模型”的构建.

2.1 分析实际运动的特征

从运动物体的大小来看，带电粒子体积小；从带电粒子受力来看，受到重力、电场力；从运动特点看，带电粒子在电场中的运动是平动.

2.2 分析实际运动的主、次因素

（1）带电粒子平动是主要因素，旋转是次要因素，加上体积小，与实际运动相比可以忽略.

（2）带电平行板相距较近，同时考虑板间，平行板的边沿效应是次要因素，电场可认为是匀强电场.

（3）带电粒子受到重力、电场力两个作用，重力的大小和电场力大小相比，重力大小可以忽略，电场力是主要因素.

2.3 做出合理的抽象

整个运动过程，带电粒子可以抽象为质点，加上重力可以忽略，那么带电粒子相当于只受到匀强电场的电场力作用，受力恒定，如果是垂直于电场方向射入电场，从带电粒子的初速度方向和受力方向将带电粒子的运动与平抛物体运动相类比，将复杂的、未知的运动与力学中已知的运动相联系，构建出“类平抛模型”，处理方法也就自然生成了.

2.4 进一步补充和完善

在上述模型建立的基础上，可以向外进行推广和拓展.例如，如果不是带电粒子进入带电平行板之间，而是带电尘埃，要考虑重力，如何处理呢？将物理问题再实际化一点点，引导学

生先将重力与电场力合成，在根据合力方向与初速度方向，将运动模型转化为质点运动的合成与分解模型，提高对物理问题分析、讨论的深度.

3 物理模型使用时的注意点

3.1 构建模型不是搭建空中楼阁

每一个物理模型都应该与实际物体相对应，如，必修1中的“质点”、“轻弹簧”、“轻绳”；选修3-1中的“点电荷”、“匀强电场”；选修3-3中的“理想气体”；选修3-4中的“点光源”等等，这些模型都是能够与实际物体相对应的，我们在教学中应该引导学生解决问题时应该积极思考究竟哪个模型更适合来代替实际物体.当然在使用模型时，也要让学生意识到物理模型是科学抽象，而实际物体是客观存在的，两者在物理问题研究中可以等效.

3.2 注重模型与原始物理问题的相符

一个实际的物体，可以与多种模型想对应，那么在解决问题时到底应该用哪一种模型呢？应该放在具体的物理情境中进行分析.

例如，“地球”在研究自转时，不可以看成“质点”，在研究公转时，可以抽象为“质点”；在研究静电场问题时，地球可以抽象为一个巨型的“球形导体”；在研究地磁场问题时，地球又可以抽象为一个巨型的“条形磁铁”.

3.3 模型化处理问题要防止思维定势

随着对某些模型的认识逐渐加深，有些学生容易忽视具体问题情景的变化，导致思维僵硬，出现错误.

例如，两平板间接交变电压，带电粒子在交变电场中运