构建物理模型 解决实际问题

物理学是一门研究物质最普遍、最基本的运动形式的自然科学.由于自然界的物质种类繁多，运动错综复杂，相互作用又各具特征，几乎任何一个具体问题都会牵扯到许多因素，构建物理模型有助于解决这些纷繁复杂的问题.物理模型是重要的抽象方法之一，它对于物理学中具有普遍意义的基本规律和基本理论的建立起着不可替代的作用.

什么是模型呢？钱学森认为，模型就是根据研究得来的关于客观对象内部机理的认识，吸收一切主要因素，略去一切次要因素所创造出来的一个“思想上的一个结构物”，它是简单化、形象化了的自然现象，而不是现象本身.钱学森对模型的这种定义既生动、形象，又简洁、准确，可谓抓住了它的实质.

怎么建立模型呢？钱学森强调在构建模型时必须抓主要矛盾，这是因为：科学所研究的问题，“不像提炼了的基础科学问题，内容很复杂，千头万绪，要同时顾到其中每一个因素是不可能的”.“要深入实际去观察，找出事物的主要矛盾，认识主要矛盾的主要方面，然后舍去那些枝节的东西，抓住要害，形成一个简化模型.”

按照这个思路，在解决实际问题的过程中，构建物理模型主要可以分为以下三个方面进行：对象模型，条件模型和过程模型.构建对象模型是指抓住研究对象的主要因素，忽略次要因素，将研究对象简化成物理模型；构建条件模型和过程模型是指抓住实际问题所处的条件和所经历过程中的主要因素，忽略次要因素，分别将其简化成条件模型和过程模型.

将种类繁多，形式各异的研究对象简化，构建对象模型，这是解决实际问题的一个重要步骤.在高一物理中引入物理模型“质点”，它忽略物体的形状和大小，只考虑物体的质量，认为物体所有的质量都集中在一个点上，用这个有质量的点代替物体.建立“质点”模型时，抓住了事物的本质特征，有利于物理学的研究和学习，同时提高了人类认知和把握世界的能力.在电学中，将带电物体简化为“点电荷”这个物理模型，光学中的光源简化为“点光源”，在机械振动中建立的对象模型有单摆和弹簧振子.这些物理模型都是抓住研究对象的主要因素，忽略次要因素，结合实际情况简化后建立起来的.

将实际问题所处复杂，多变的条件简化，构建条件模型是解决实际问题的另一个重要步骤.在物理学中，物体所处的条件经过简化，构建的条件模型有：光滑水平面，光滑斜面，匀强电场，匀强磁场等.如果将研究对象和研究对象所处的条件构建模型以后，实际问题所经历的过程就可以建立起对应的物理模型.常见的过程模型有：匀速直线运动，匀变速直线运动，平抛，圆周运动等.

如何构建物理模型，解决实际问题呢，下面有两个典型的实例供大家参考.

例1 一间新房即将建成时要封顶，考虑到下雨时落至房顶的雨滴能尽快地淌离房顶，要设计好房顶的坡度，设雨滴沿房顶下淌时做无初速度无摩擦的运动，那么图中所示四种情况中符合要求的是

这是一个构建物理模型，解决实际问题的典型案例，它来源于科学家为茶农设计的茶叶和茶梗的分选装置，分选装置的研制大大提高了茶叶的分选效率，解决了茶农困惑已久的难题.当初在构建物理模型时，设计的物理模型是带电粒子在磁场中做圆周运动，不同质量的带电粒子的轨道半径不同，从而实现分选茶叶和茶梗的目的.但是，由于茶叶和茶梗的质量不能忽略，在竖直面内不能做圆周运动；如果茶叶和茶梗在水平面内做圆周运动，在运动的过程中不能忽略摩擦力，也不能实现分选的目的；最后构建的物理模型是带电粒子在电场中做匀变速直线运动，实现了分选的目的.

通过实例可以看出，构建模型，解决实际问题的过程是一个充满挑战的过程，也是一个不断完善的过程，因为实际问题牵涉的因素非常多，不一定一下就抓住问题的主要因素.钱学森指出：“在科学的研究里，最重要的一件事是怎样把理论和实际结合起来”.这是一件“非常困难、需要有高度创造性的工作.”“理论联系实际，并不只是把自然科学的规律和理论应用到实际问题上去.要是如此，那岂不是一个简单的推演工作吗？”“它是化合物，不是混合物.”“在建立模型的曲折过程中[HJ1.45mm]要发现主要矛盾及矛盾的主要方面，而且要千万记住：矛盾是在发展运动，会转化的.”

构建物理模型，解决实际问题的能力在高考中的要求很高.以北京高考为例， 2004年要解决的实际问题是粒子分选器，2005年要解决的实际问题是电磁炮，2006年要解决的实际问题是磁流体船，，以后的高考中还分别牵涉到的实际问题有太阳能、风力发电、发电电磁流量计、霍尔元件与传感器、电梯运行、蹦床等.这些实际问题一部分来自科研前沿，一部分来自日常生活，实际问题往往是比较复杂的，处于多种因素的制约之下，因此，在解决问题时，对学生构建物理模型的能力要求较高.

在具备构建物理模型能力的同时，对解决实际问题能力的要求也在逐步加强.例如在2007年考察太阳能发电时，让学生对运算的结果思考，学生只要判断合理或不合理即可；2008年在考察风力发电时，就进一步要求学生给出提高风力发电效率的方案；而在2009年在考察电磁流量计时则要学生解决实际问题中遇到的困难.这些例子都说明解决实际问题是一个很重要的能力，对我们的工作和生活有很重要的意义，同时也引导全体师生热爱生活，关注生活，学以致用.

构建理想化模型，一方面具有现实意义，因为在一定范围内，或者在误差允许的范围内，可以把许多实际物体或物理现象看成是某个理想化模型来处理，另一方面，它是一种重要的物理学研究方法，因为解决了主要矛盾之后再考虑次要矛盾，就容易解决物理问题.构建物理模型，解决实际问题的能力不是一朝一夕之功，它是在不断的探索中逐步培养和提高的，培养的方式有很多种，“润物细无声”便是一种优雅的方式，值得我们去体验.