浅谈浅谈“物理思想之物理模型”

浅谈“物理思想之物理模型”

中学物理教学是为了达到一定的教学目的，根据学生的已有基础、认知水平和思维能力，从有利于今后学生发展的观点出发，对有关的物理学的内容进行由简单到复杂、从条件到结果、从现象到本质重新组织和系统构建形成教材，并在教师的“教”和学生的“学”这一教学活动而构成的一门学科教学。在这个教学全过程中，物理教学不仅仅是一个传授物理知识的简单过程，而更应该是一个传授物理知识的同时贯穿物理思想方法的过程。作为一个教师不管他是否意识到，在教学过程中，知识的发生过程就是物理思想方法的运用过程和学生物理思想的领会过程。同时教师也在用自己的世界观、对物理问题的科学思想和科学方法以及教师对物理思想方法的理解等潜移默化地影响学生、感悟学生和培育学生。而学生在学习物理知识的过程中同时也在通过自己的努力领会并掌握物理思想方法，提高自己的求知能力、实践能力和创造能力，从而发展和完善自己的物理科学素质。所以，时代赋予了中学物理教学新的内涵，教师不能仅仅局限于知识教学与技能的培养，更重要的是在物理知识教学的过程贯穿物理思想方法，用物理思想方法统率物理教学，从而提高物理科学素质。这样我们的物理教学才能上升为大物理教学，即以物理学科为主要内容的、以提高学生科学素质为目的的物理教育。

在中学物理教学中加强物理思想方法的教育，使学生在学习物理知识的同时，掌握物理思想方法是大物理教育的一个重要方面。学生在认知过程和解决问题的过程中离不开物理思想方法的指导。物理思想方法在学生的学习过程中起着举足轻重的作用。巴甫洛夫曾说过：“有了良好的思想方法，即使是没有多大才干的人也能做出许多成就。如果思想方法不好，即使有天才的人也将一事无成。”英国著名物理学家玻恩在1954年接受诺贝尔奖时说：“我荣获1954年的诺贝尔奖与其说是我发表的工作里包括了一个自然现象的发现，倒不如说是那里包括了一个关于自然现象的新思想方法基础的发现。”爱因斯坦也说过：“像我这样类型的人，一生中主要的东西，正是在于他想的是什么和他是怎样想的，而不是在于他做的和经受的是什么。”所以，要“培养能够适应新世纪科技革命需要和善于对国际竞争的新型人才。”就必须在学生的认知过程中加强思想方法教育。通过物理思想方法教育，可以显著提高学生的物理科学素质，从而促进学生自主、持续、终身地发展。

“从实际问题到理想化模型”，这由浅入深的过程闪耀着物理思想方法的火花。例如从单一质点到连续介质问题（如机械波的传播中的连续介质问题需要通过理想化物理模型的思想方法的物理思想方法处理）。物理模型的建立在物理学史上有着其重要的作用。“物理模型”的建立，是一种严密的正确的思维方法，其思维过程非常明显，分析好每一个“物理模型”的建立思维很重要，以“质点”这个“物理模型”为例，为什么要将物体简化为质点？在什么时候什么物体可以简化为质点？质点的概念很简单，如果只教会学生质点的概念，而没有使学生明确这种建立“物理模型”的思维过程以及运用“物理模型”建立概念的基本方法和思路，这将是教学上的一重大失误！

一、“物理模型”是什么？

物理学所分析的、研究的实际问题往往很复杂，为了便于着手分析与研究，物理学中常常采用“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）或暇想结构，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”。

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。

二、物理模型的特点

l、物理模型是抽象性和形象性的统一。物理模型的建立是舍弃次要因素，把握主要因素，化复杂为简单，完成由现象到本质、由具体到抽象的过程，而模型的本身又具有直观形象的特点。

2、物理模型是科学性和假定性的辩证统一，物理模型不仅再现了过去已经感知过的直观形象，而且要以先前获得的科学知识为依据，经过判断、推理等一系列逻辑上的严格论证，所以，具有深刻的理论基础，即具有一定的科学性。理想模型来源于现实，又高于现实，是抽

象思维的结果。所以又具有一定的假定性，只有经过实验证实了以后才被认可，才有可能发展为理论。

3、模型是在一定条件下使用的。建立物理模型，可是问题的处理大为简化而又不会发生大的偏差。现实世界中，有许多事物与这种“理想模型”十分接近，在一定场合、一定条件下，可近似，可以把实际事物当作“理想模型”来处理，但也要具体问题具体分析。例如，质点模型。研究体操运动员在平衡木上的动作时，不能把运动员看作质点。研究百米赛跑运动员的速度时，能把运动员看作质点。研究自行车的车轮绕车轴的运动时，不能把自行车看作质点。研究马路上行驶的自行车的速度时，能把自行车看作质点。原因：研究运动员的表演动作时，需要评判的就是运动员的翻腾等动作，此时，运动员身体各部分的运动情况不完全相同，故不能看作质点；"中自行车的车轮在绕车轴转动时，车轮及辐条上各点的运动情况不完全相同，它的形状和大小起主要作用，不能忽略，故不能看作质点。"相反其余两种情况的物体本身的大小比它们的运动范围小的多，属于次要因素，可以忽略它们形状和大小，故可看作质点。

4、物理模型是不断发展与完善的。随着社会的进步，人类对事物的本质认识也是不断深入和提高的，物理模型也相应地得到更好的改善。例如，原子模型的提出就是一个不断完善的过程。从起初的原子不可分割（atom），到汤姆生的“枣糕式”原子模型，进而由卢瑟福提出的“原子核式结构”模型，再到波尔的原子“轨道量子化”（能级假设、跃迁假设、轨道假设），这漫长的进步过程无不说明这个问题。

三、为何要建立物理模型

研究任何物理现象，都应分清主要因素和次要因素．例如：电学中研究带电体之间的相互作用力，它与带电体的电荷多少，带电体的形状大小，带电体之间的相对位置及介质等多种因素有关，情况是复杂的．若不分轻重地考虑各种因素，非但不能得出精确结果，反之还会对复杂现象的研究感到束手无策．通过不断探索，科学家创立了有效的模型方法：突出对所要研究问题起主要作用的因素，略去次要因素，构建了许多合理的“理想模型”，有效地解决了对复杂问题的研究．就带电体间的相互作用而言，实验表明：在真空中，随着带电体之间距离的增大，它们的形状、大小的影响逐渐减小，当远到一定程度时，起决定作用的就是带电体的电荷量，其形状、大小都是无关紧要的，可忽略不计，于是建立了“点电荷”模型，库仑定律反映的就是两个点电荷之间的相互作用规律．而实际问题中的带电体能否看作点电荷，需视具体情况而定．对一般的带电体而言，可看作无数点电荷的集合体，借助叠加原理，根据库仑定律原则上可求出任意带电体之间的相互作用力．可见，没有“点电荷”这个理想模型的建立，就无法计算出带电体之间的相互作用力．“物理模型”的建立有助于对客观物理世界的真实认识，达到认识世界，改造世界，为人类服务的目的。也可以这样说，离开物理模型，就无法进行物理学的研究．

从教学的角度看：第一，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。例如，我们在运动学中建立了学生第一次接受的物理模型——“质点”模型，学生对这一模型有了充分的认识和足够的理解，为以后学习质点的运动、万有引力定律、物体的平动和转动，以及电学中的“点电荷”模型、光学中的“点光源”模型等奠定了良好的基础。使学生学习这些新知识时容易理解和接受。第二，建立和正确使用物理模型有利于将复杂问题简单化、明了化，使抽象的物理问题更直观、具体、形象、鲜明，突出了事物间的主要矛盾。第三，建立和正确使用物理模型对学生的思维发展、解题能力的提高起着重要的作用。可以把复杂隐含的问题化繁为简、化难为易，起到事半功倍的效果。第四，物理模型构建过程是培养学生创新能力的重要途径。在物理学史中，每个具有代表性的理想化模型的提出，都标志着一种新思想的诞生，对物理学的发展起推动作用，对自然界的解释又清晰了。

四、中学物理中常见的物理模型

物理模型是物理思想的产物，是科学地进行物理思维并从事物理研究的一种方法。就中学物理中常见的物理模型，可归纳如下：

1、物理对象模型化。物理中的某些客观实体，如质点，舍去物体的形状、大小、转动等性能，突出它所处的位置和质量的特性，用一有质量的点来描绘，这是对实际物体的简化。当物体本身的大小在所研究的问题中可以忽略，也能当作质点来处理。类似质点的客观实体还有刚体、电电荷、薄透镜、弹簧振子、单摆、理想气体、理想电流表、理想电压表等等。