浅谈物理模型在习题中的运用

摘要：物理模型是由客观物质世界过渡到物理概念、物理规律的中间环节，是高中物理的教学重点和难点，对于习题的解决具有直接的指导意义。本文在梳理高中阶段物理模型分类的基础上，从培养学生的观察能力和物理思想方法两个方面来阐述如何帮助学生建构和理解物理模型，总结了运用模型到物理习题中的基本环节。

关键词：物理模型；高中物理；习题应用

1.引言

物理模型是物理学中的理想化方法之一，而且以科学知识和实验事实为依据，对事物原型作出简化和纯化处理，经分析综合、抽象概括等一系列科学思维而建立起来的[1]。物理学所研究的对象，大都是理想化模型。物理模型是物理概念和规律赖以建立的基础，并有助于理解物理概念和规律。

通过对近几年有代表性的试题和习题，用考试的方法进行调查发现：由于学生缺乏建构模型的意识、物理基础知识掌握不扎实，在建模过程中存在较多错误和漏洞等[2]。高中物理之所以难学，究其原因，关键在于无法在头脑中找到题目的原型。模型方法作为思维方法和行为方式，蕴涵着很高的认知价值。学生一旦将模型方法内化为自己的认知图式，就能获得认知水平的发展[3]。

2.高中物理常见的物理模型

从狭义上讲，中学物理模型大致可以分为对象模型、概念模型和过程模型。

2.1对象模型

对象模型是用来代替研究对象实体，且能从不同侧面描述和揭示其在各种问题征的理想化模型。如力学中的光滑斜面、单摆、质点、完全弹性体、刚体、杠杆、轻质的绳、杆和弹簧振子等；热学中的绝热容器、分子的球形和立方体模型、理想气体等；电学中的点电荷、试验电荷、绝缘体、纯电阻、无限长导线和螺线管、理想电表、理想变压器、理想导体、理想电解质、连续介质；光学中的点光源、薄透镜等。例如探究杠杆平衡条件时，忽略了形变，即是把杠杆经过理想化的处理，从而顺利引导学生得出杠杆平衡条件；对于固体和液体，可以认为分子是一个个紧密排列在一起的球体，对气体，由于分子间距离较大，可以利用立方体模型计算分子间的距离。

2.2概念模型

物理概念是在大量的观察、实验基础上，通过分析比较、归纳综合，把物理现象的共同属性和本质特征加以理想化的抽象概括而建立的。例如，可以通过列举天体的运动、物体的运转等直观材料，经过分析、抽象、概括等思维过程，让学生认识到并抽象出来其共同特征，就建立了“机械运动”概念。为了描述汽车和飞机运动的快慢，引入了速度这一概念又如将物质形态自身理想化的狭缝、薄膜、光的波粒二象性模型、光线、匀强电场、匀强磁场、电场线、磁感线、理想流体、绝对黑体等理想化模型的建立，即是抓住主要影响因素，忽略物理原型的次要因素，来反映所研究的物体本质属性。

2.3过程模型

过程模型是根据研究问题的性质和需要，忽略影响自然界中物体运动的次要因素，简化对复杂运动过程的处理，把研究对象所处的外部条件理想化，突出本质特征，且建立在质点运动上的各种典型模型。比如真空状态；力学中的匀（变）速直线运动、匀速圆周运动、光滑斜面、平抛运动、（非）弹性碰撞、简谐运动、简谐波、伽利略的惯性实验、自由落体运动、共点力作用下的动态平衡模型等；热学中的绝热过程、等温过程、等容过程、等压过程、绝热过程、分子热运动图景、理想气体的平衡态等；电学中的恒定电流、等幅振荡、直流电路动态分析模型、变压器电路动态分析模型等；研究原子物理时原子所处的基态和激发态等。

例如，为了研究物理问题的方便，我们可以把站在自动扶梯上乘客的运动、雨滴接近地面时的运动、百米赛跑的过程等近似看做匀速直线运动；轿车启动的过程等看做匀加速直线运动；公交车刹车、进站或飞机着落后在跑道上的滑行等过程可以近似看做匀减速运动；从水龙头上滴落的水滴，由于是在地球表面附近且水滴流速不算太大，水滴所受的空气阻力与重力相比可忽略不计，同时也可不计地球自转、周围物体对它的引力以及水滴的形状、大小等非本质因素的影响，因而可认为是一个质点处于一个重力强度为g的均匀重力场，因此可近似看做自由落体运动；打排球扣球可看做平抛运动；伽利略以实践为基础，合理运用理想斜面这一模型，推理出物体的运动不需要力来维持，牛顿继而总结出了牛顿第一定律。尔后这一理想斜面又在机械能守恒定律等中应用。我们可以看出理想实验是物理学家源于自身经验而又超出自身经验的一种高级思维活动，是一种以可靠的事实为依据，以科学的实践为基础，忽略次要因素，进行逻辑推理，并把实验的情况合理外推到一种理想状态，从而揭示自然现象本质的假想的实验。

3.物理模型的建构与问题解决

3.1观察能力和物理思想方法与建模能力相辅相成

物理模型是将带有实际色彩的物理对象或过程，通过近似与忽略、类比与联想、抽象、理想化等方法抽象概况而成。高考物理考查的主要是源于身边实际、游戏、生活体验、体育项目、科技热点、社会热点等的情境模型，是物理对象模型、概念模型、过程模型的有机结合。可以发现近年高考试题就是围绕建构物理模型，设置情境，来考查学生对物理基础知识和思想方法的掌握。物理情境模型在力学中有反冲模型、叠加体模型（子弹射入）、斜面模型、滑块模型、轻杆轻绳连接体模型、含弹簧的连接体模型、追击相遇问题模型、卫星变轨模型、双星模型、机车启动模型、摆类模型、人船模型、小船渡河模型、传送带模型、碰撞模型、子弹射击木块模型、势能与动能之间的转化等；在电学中有等效场（重力场与电场、磁场、电磁场）、带电粒子在电（磁）场以及复合场中的加速与偏转、导电滑轨模型、金属棒切割磁感线的模型、金属框穿过磁场运动的模型等。

物理新课程提出要发展对“科学探究”连贯性、一致性的理解；加强“原始物理问题”与新课教学的整合；模拟科学家的科学探究活动[4]。作为教育教学过程中的指导者，教师在课堂教学中，要把握教材特色，以模型为教学的切入点，利用各种实物模型、多媒体课件等引导学生建构物理模型，通过渗透物理思想方法，把物理建模思想始终贯穿在教学中，根据教育教学经验总结出可以抽象成理想模型的自然社会生活场景，在课堂上向学生精细讲解这些物理模型是如何提炼出来的，以及研究被简化和纯化后的理想模型对于解决物理习题的重要意义。

需要明确的是，我们不仅要求学生做到在习题中通过观察和想象等物理思想方法能够抽象和建构物理模型，而且要并布置课外作业，指引学生做到保持对社会自然生活现象的敏锐洞察，发挥想象，积极、适时从头脑过滤相应模型并联系实际问题。这样在加深对物理概念和规律理解的过程中建构了知识。同时，还能够对大自然形成丰富的理解和灵活的解释，激发探索的兴趣与创造性思维，最终培养学生的科学素养，真正体现了传授知识与发展能力相统一的现代教育教学理念。此外，教师还应提供学生一些信息化教育资源网站等课程资源，为学生理解物理模型提供充分、丰富的平台。

值得注意的是，教师应当向学生强调模型只是问题求解的一种参考，不能受思维定势的影响而过分依赖现成的模型或者把模型绝对化。因此在进行习题练习时，要提示学生针对不同的问题情境对模型进行适当改造、转换或重组。此外，习题涉及的往往是由多个复杂的模型的组合，因此日常教育教学过程中要注重学生发散性思维的培养。另外还应向学生强调物理模型都有一定的适用范围，由此建立的物理规律和物理理论也应在一定的范围内才能成立。还有很多潜在的物理模型有待我们在实践与科学验证中发现。

例如，在准备讲解点电荷和点光源前，通过引导学生回忆质点模型建立的过程、应用与意义，就能根据物理模型所具有的一定的原型启发功能，顺利地建立起点电荷和点光源模型；对分子间相互作用力的模型可以用弹簧连接起来这―实物弹性球模型来理解；电流的产生过程可以由抽水机抽水的模型来引入。又如，通过用学习过的“光线”这一概念来方便地描述光的传播现象，自然过渡到光路图这一知识体系的学习。学生通过感受模型的魅力，学习积极性会进一步提高，将收到良好的教学效果。比如学习了平抛运动模型，学生头脑中逐渐积累了清晰的物理模型，然后就可以布置简单的类平抛运动习题；建立了单摆的模型后，可以布置一些类单摆问题，充分调动学生的知识迁移能力。通过分析问题和提取信息，激活学生头脑中活跃的相关模型，再对问题整体表征，便容易发现解决问题的模型――架起物理问题和实际问题的桥梁，同时也培养了学生运用模型、发展模型的能力。

因此，新课程理念下，学生作为学习活动的主体，必须以透彻掌握典型物理模型的本质特征为前提，不断理解与积累典型模型，就可以将具体的问题情境抽象成相应的理想模型体系，解决同一类问题时做到触类旁通，举一反三，实现思维的正向迁移，直接按图索骥，保证解题效率。

3.2运用物理模型解题的基本程序

（1）通过审题，注意挖掘隐含条件，提取关键信息，明确题目所涉及的物理现象、物理事实、物理状态、物理过程等，并抽象出其本质特征以及问题的实质，将实际问题理想化，正确建立并选择合适的对象模型、典型的过程模型。当有多个研究对象时，能正确选定合适的研究对象；

（2）根据题意在头脑中勾画出物理图景，画出简洁的物理图示，通过类比、逻辑推理、原型启发等思想方法，透过现象看本质，即在图示上还原对应的物理模型，对应过程模型中每一个环节所遵从的物理规律，可分过程列式，也可对全过程列式。必要时列出辅助方程，展开求解，进行定量计算。

（3）检验结果是否符合实际，必要时对结果进行分析讨论以及进一步深入的思考与设想等。如果不符合实际，就需要反复修正模型。

此外，对于习题中涉及比较复杂的情境，可以根据物理模型提炼出已知量和未知量，然后求解。这样下来整个题目思路清晰，使题目化繁为简、变难为易。

物理习题解决中，首先是对物体受到何种类型（重力、弹力、摩擦力、万有引力、分子作用力、电场力、库仑力、磁场力等）的受力分析；其次，分析运动过程模型（直线、曲线、简谐）；然后综合运用整体和隔离、引入中间变量、割补法、合成分解、统计学思想、比例法、临界问题分析法、控制变量、对称、逆向、等效、极端、守恒、类比、平均值、猜想与假设、估算、微元、图像等思想方法，最后模型的构建是难点。

4.结束语

很多同学回忆起中学物理学习的收获，很少大讲学了什么定理、原理等，大多数的第一反应就是弹簧弹来弹去、滑块滑来滑去、子弹与木块、电磁场中的带电粒子等。这充分说明了中学物理就是围绕各种物理模型展开并进行深入研究的。因此，在物理教学中，教师要善于帮助学生建构和理解物理模型，对于提高学生的物理素养、学习效率以及创新思维能力等具有重要意义。学生也因此在亲身经历物理模型建构这一科学探究过程中，加深了对物理知识的理解，并通过灵活运用或建构物理模型，提高学习物理的兴趣。

参考文献

[1]张宪魁，李晓林，阴瑞华.物理学方法论[M].杭州：浙江教育出版社，2007

[2]齐慧玲.建构物理模型能力的调查[J].中国现代教育装备，2010（4）

[3]邢红军.论教育中的模型方法教育[J].教育研究，1997（7），54-55

[4]王全，母小勇.模型与建模：国际物理教育新视点[J].外国中小学教育，2009（3）