高中物理模型的建构

浅议高中物理模型的建构

【摘要】建构物理模型是人们研究、认识物质世界的一种重要方法，而物理模型的多样性和复杂性也是物理“难学、难教”重要原因之一。本文通过具体实例阐述两个问题：一是怎样科学理解和学习物理模型，二是怎样应用物理模型解决实际问题。把容易混淆、难以理解、难以记忆的知识变得清晰易懂，从而培养学生的方法意识，促进其知识体系的自我构建，并有效地训练学生发散思维能力及归纳能力。

【关键词】建构物理模型科学概念物理模型类比学习模型应用

【中图分类号】g633.7 【文献标识码】a 【文章编号】2095-3089（2013）04-0163-02

一、物理模型概述

物理学是自然学科的研究基础，而自然界中任何事物与其他事物之间总存在着千丝万缕的联系，并处在不断的变化中。面对复杂多变的自然界，人们在研究时，总是遵循一个重要的原则，即从简到繁、先易后难、循序渐进、逐次深入。基于这样的思维过程，物理学家创建了“物理模型”。

物理模型是指：物理学所分析的、研究的实际问题很复杂，为了便于分析与研究，常常采用“简化”的方法，对实际问题进行科学抽象的处理，用一种能反映原物本质特性的理想物质（过程）或假想结构，去描述实际的事物（过程）。这种理想物质（过程）或假

想结构称之为“物理模型”。“物理模型”的建立是一个创造性过程，对物理模型的认识和理解培养创新能力的过程。在教学中，引导学生正确认识和理解并建立“物理模型”，显然是培养学生创造性思维和创新能力的良好途径。

高中阶段的物理学习为我们积累了很多物理模型，我们可以将其分类成二类，即一是对象模型，如质点、物体的分子结构、理想气体、电流、电阻、磁流体发电机、电磁流量计、理想变压器、原子结构、核结构、导体等等；二是过程模型，如匀速直线运动、匀变速直线及曲线运动、平抛运动、圆周运动、简谐振动、碰撞、能量转化过程、光电效应、核变化等。

在教学中，我们希望学生能在特定的情景下，从生动具体的实际问题出发，运用已有知识，根据研究问题的主要特征建立物理模型，并研究与之关联的物理现象、过程，从而建立相应的物理概念，得出物理规律，形成物理结论。然而，在我们教学的过程中，很多学生学得非常累，经常会出现概念混淆、模型混乱、物理过程分析不清等情况，即使在物理上花费了很多的时间也不能学好。通过多次与学生交流和同事探讨，我认为主要存在两个问题，一、没有彻底理解模型特点，无法构建正确的模型，二是难以应用已有的模型解决问题。

二、物理模型的学习

为了便于学生对物理模型有个清晰的认识，真正的了解本质，在教学过程中，我们一般会用到两种方法，一是物理概念法；另一个

是模型类比法。

2.1物理概念法

课程标准要求学生在高中物理课中“学习终身发展必备的物理基础知识和技能”。在课程内容上体现“时代性、基础性、选择性”。而高中物理教学中，使学生形成概念，掌握规律，并使他们的认识能力在形成概念、掌握规律的过程中得到充分发展，是高中物理教学的核心问题。李政道在回答怎样才能学好物理这一问题时就曾经强调：学习物理的首要问题是要弄清物理学中的基本概念。

在学习物理模型时，一定要弄清其基本的定义，该定义的条件，该模型的使用范围，以及使用条件。如下例：

例1 理想气体是一种气体模型，是对真实气体的抽象，其微观的特点是：①理想气体分子线度可以忽略不计，即具有一定的质量而没有大小；②分子之间以及分子与器壁间除了弹性碰撞外无其他作用力。通常不易液化的气体在压强不是太大、温度不是太低的情况下，可视为理想气体。现有一定质量的氢气，装在绝热密闭的气缸内，如图所示，若稍稍向下移动活塞压缩气体，则下列叙述符合事实的是（d）。

a.气体的内能一定增加力时

b.气体的温度一定升高

c.气体分子的平均间距不变

d.气体压强一定增加

考题方向：本题要求将实际的气体抽象成理想化的模型（理想气

体）后进行分析讨论，考查了影响物体内能的决定因素、改变物体内能的两种方法、热力学第一定律及气体压强与温度、体积的关系等。

定义：严格遵从气态方程（pv=（m/m）rt=nrt）的气体，叫作理想气体（ideal gas，有些书上，指符合气体三大定律的气体）。从微观角度来看是指：分子本身的体积和分子间的作用力都可以忽略不计的气体，称为是理想气体。扩充：

1.分子体积与气体体积相比可以忽略不计。

2.分子之间没有相互吸引力。

3.分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞不造成动能损失。

4.在容器中，在未碰撞时考虑为作匀速运动，气体分子碰撞时发生速度交换，无动能损失。

5.解热学题的时候，简单的认为是分子热能为零，分子动能不为零。

6.理想气体的内能是分子动能之和。

例2 地球是一个庞然大物，直径约为12800 km，与太阳相距1.5×108 km，研究地球绕太阳的公转时，能不能把它看成质点？研究地面上各处季节变化时，能不能把它看成质点？

考题方向：本体考察质点及可以视为质点的条件。若研究地球绕太阳公转时，由于地球本身的大小比地球到太阳的距离小得多，则可以把地球看作质点；但若研究地面上各处季节变化时，则不能把其看作质点。

定义：用来代替物体的有质量的点。

1.质点是一种科学抽象，是一种理想化的模型。

2.质点是对实际物体的近似，这也是物理学中常用的一种重要的研究方法。

3.一个物体能否看成质点，取决于它的形状和大小在所研究问题中是否可以忽略不计，而跟自身体积的大小、质量的多少和运动速度的大小无关。

4.一个物体能否被看作质点，取决于所研究问题的性质。即使是同一个物体，在研究的问题不同时，有的情况下可以看作质点，而有的情况可能不可以看作质点。

2.2模型类比法

由于物质世界相互联系的性质使自然界各种现象之间、规律之间存在相似性，同时，物质世界的层次性又决定了现象、规律之间本质的差异性。类比法就是建立在比较和想象的基础上，根据事物在某些属性或关系上的相似（或同一），由此及彼，通过对比分析，作出判断的一种推理方法。物理模型类比就是根据不同物理模型在某些属性或关系上的相似（或同一）而推导出它们在另一属性或关系上也可能相似（或同一）的一种推理形式。基于模型类比的方法应具有以下程序：

例1 静电场和引力场的模型类比教学

例2 在学习电磁波的时候，让学生联想已经学过的机械波的特点，以类比的形式组织联想，思维可以涵盖机械波、光波、电磁波，