物理模型构建和教学

物理模型构建和教学

【摘要】物理模型在教学中有重要作用，不仅能使抽象变得形象易懂，又能锻炼学生物理思维。熟练掌握基础物理模型是提高构建模型能力的关键，而领会基础模型与新模型的共通性则是提高建模解题的一种重要方法。

【关键词】物理模型；物理教学；模型构建

物理学所分析的、研究的实际问题往往很复杂，为了方便分析和研究，而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”[1]。

一、物理模型的分类

根据教学特点和功能，物理模型可以分为对象模型、过程模型、问题模型等[2]。

1、对象模型：去掉次要因素而突出其主要因素，着重反映问题的本质规律，使研究的物理问题模型化。例如“质点”、“点电荷”、“理想气”、“光源”等。

2、过程模型：忽略次要的过程或者因素，突出某方面主要特征，使得物理过程变得理想化。例如“自由落体”、“匀加速直线运动”、“弹性碰撞”等等

3、问题模型：模型以物理问题为分析重点，形成一般的解题或者处理办法，使得分析处理问题的难度降低。例如“双星模型”、“人

船模型”、“子弹入木”等等。

二、物理模型的构建

对一般学生，直接用基础模型解答题目不难，难点是根据题目构建新模型进行解题。构建模型是一个创新的过程；需要学生对基础模型熟练掌握，使其能以此为思维起点，用基础模型把复杂的问题进行简化；还要求学生有转化物理情景的能力。以下介绍两种常用的方法：

1、类比法构建物理模型

类比法：通过类比的方法，把题目的情景转化到基础模型去，构建出一个与基础模型特征相似功能类同的模型。可以说是一个既有模仿又有创新的过程。因此，要求学生熟练基础模型和具备一定转化能力。

例1、如图1，匀强电场中长度为r绳子一端固定在o点，另一端系着带正电的小球，让小球从右边水平线由静止开始下摆。小球受到电场力等于重力。问摆到何处绳子的拉力最大？

【解题思路】如果没有电场参与，摆到竖直方向时绳子拉力最大，拉力为t=g+ 。没有电场参与的情况，是学生比较熟悉的基础模型。把题目和这个基础模型进行类比。基础模型里，下摆过程中小球合力是重力而且大小不变，摆到合力（重力）方向时绳子拉力最大；而题目里小球下摆过程中小球受到的电场力和重力都是方向和大小不变的，即小球合力也是恒定的（大小为 g，方向为与水

平方向成45°斜向下）。因此，经过类比，小球的合力方向就相当于基础模型的重力方向，即当小球摆到与水平方向成45°斜向下时，绳子拉力最大（拉力大小t=g+）。速度v的大小可从能量的角度算得。

2、等效法构建物理模型

等效法是指把复杂的物理现象或者过程用简单的物理模型进行替代，以使得问题模型化，从而达到简化的目的。因此，要求学生对模型有很深刻的理解和对题目的物理情景有相当的了解，使其能发现其中的等效性。

例2、如图2所示，已知r1=6 ω，测得ab两端阻值是2.4 ω，如果把r1换成16 ω，其他电阻保持不变，那么ab两端阻值是多少？

【解题思路】两个电阻并联的模型，学生很熟悉。把r1以外的电阻用一个rx来代替，则题目可以认为是r1和rx两个电阻的并联。解答如下：由得到rx=4 ω，由，得到答案为3.2 ω。

三、物理模型教学

在物理教学中，使用好物理模型能使得很多抽象难懂的物理问题得以简化，有利于学习掌握和提高教学效率；也有利于学生物理思维形成和分析能力的提高。物理模型在物理教学中发挥着重要的作用。本文认为在物理模型教学中要注意以下两点：

（1）特别注重基础物理模型。要想办法让学生熟练的掌握基础

物理模型，而要达到熟练，充分掌握模型的关键点是很重要的。对一般的学生，掌握模型的关键点很大程度依靠老师的引导。如上文提到例1的基础模型，其重力实际上是指合力。老师可以用不同的方法引导学生突破这些关键点，例如用评讲练习的方法等等。以下再以例3讲述模型关键点。

例3、如图3所示，质量均为m的a和b有轻弹簧连着，静止在光滑水平面上，一颗质量为m的子弹以水平速度v打中a并留在a 中。问此时a速度大小？

【解题思路】这是一个子弹入木的基础模型。这个模型的暂态特点是：其一，只需关注子弹入木的过程，而此过程时间非常短，可以认为b还没有参与，故b速度依然为零。其二，极短的时间里，内力远远大于外力，可认为子弹与a构成的系统动量守恒。这是模型的关键点，老师得设法去引导学生对此进行理解。题目解答为：mv=（m+m）v1 ，即。

（2）引导学生体会题目要建立的新模型和与其对应的基础模型的共通点。根据题目特点依靠基础模型使用类比、等效等方法建立新的模型，两者必然有共通的地方。这共通的地方恰好是学生理解的重要依据，也是化解难度的关键。另外，体会模型共通性也是提高建模和分析能力的一种重要的方法。引导学生领会模型共通处很重要。因此，在教学中，很有必要设法让学生作为主体参与找出模型与模型的共通处。此问题上，很多老师使用启发和引导都是很好

的方法。

四、总结

物理模型不仅能很好地化解许多物理难题、方便学生学习和增强学习兴趣，又是培养学生物理思维的一种重要方法。物理模型在物理教学和学习中有着重要的作用。注重基础物理模型的学习是提高构建模型能力的关键，而体会基础模型与新模型的共通性则是提高建模解题的一种重要方法。

【参考文献】

[1]张琳苹.如何在物理模型教学中培养创新能力[j].素质教育，2013（4）：111.

[2]汤培荣.如何在解题中构建合理的物理模型[j].临沧师范高等专科学校学报，2007（4）：95～97.

作者简介：邱忠诚（1981—），男，汉族，广东湛江人，湛江市坡头区第一中学，硕士研究生，中教二级，研究方向：中学物理模型教学。