重视物理模型教学的开发

摘 要：在中学课程中，学生普遍反映物理难学。应该说学生开始都抱着很大的兴趣来学习这门课程，而且老师在第一堂物理课上就告诉学生物理学的研究对象和学好物理的方法。但随着知识的深入，尤其是在高中阶段，大部分学生认为物理越来越难学，甚至于一小部分人失去了学习的信心。

关键词：物理模型教学 地位 作用

在这里，有一个十分重要的问题，是学生根本认识不到的，恐怕有的教师也会忽视的，那就是物理学中的概念和规律是通过研究什么而得到的。难道是通过研究具体的物理现象吗？显然不是。我们知道，物质参与不同形式的运动会表现出各种不同的的物理现象，但物理学家是绝不会拿来一种物理现象就去寻找它的物理规律，而是先建立起事物的物理模型，接着对模型进行研究，从而得到了物理概念和物理规律。可见，物理学就是研究物理模型的学科，而得到的概念和规律也是仅对模型成立的，从模型到具体的现象还有一段距离。因而，物理模型在物理学中是至关重要的，只有抓住模型，真正掌握物理学研究问题的科学思维方式，才能让大多数学生感到物理并不难学。教师在教学中必须重视物理模型的教学，方能帮助学生提高学习效率。本文就物理模型在物理学中的地位，中学物理中出现的模型及在解决问题中的作用等三个方面谈些看法。

一、物理模型在物理学中的地位

所谓模型，是指有形的具体的事物造型，物理模型是建立在客观事物的基础之上对事物某些方面特殊体现，或是对一些抽象的、微观的事物的生动体现，是一种高度抽象且简化的理想客体。

物理学在研究物质不同形式的运动过程中，逐渐形成了一套科学的思维方式，正是在它的指导下，物理学家不断地推动着物理学向前发展。这种思维方式如图所示：

物质不同物理建立相应研究模型引入获得相实践检验，用规律

形式运动现象物理模型相应的物理量应规律分析物理现象

在这个思维方式中，建立物理模型是十分重要的，它是开始研究物质运动的桥梁。

许多物理学家就是因为善于建立模型而获得成功的，并对物理学的发展做出了重要贡献。人们对于晶体内部结构的认识是因晶体具有规则的外形，促使人们进一步了解晶体的内部结构。17世纪初，天文学家开普勒就提出了晶体雪的模型：由许多球体紧密堆积而成。17世纪末，惠更斯提出方解石晶体是由微小的椭球形粒子组成。到19世纪中叶，人们又提出了晶体微观结构模型：组成晶体的物质微粒依照一定的规律在空间排成整齐的行列，后来用X射线窥探晶体的内部结构，证实了上述假说是正确的。在对微观世界的认识中，物理模型的建立是必不可少的，正是借助于一个个模型的建立，才一步一步地深入到微观领域的。古希腊的德谟克里特提出了原子模型，使人们知道了原子是构成物质的微粒之一，卢瑟福提出了原子核式结构模型，使我们的认识又深入到原子的内部结构，知道原子由原子核和电子组成。而质子和中子模型的建立，又把原子核的结构进一步分解。著名物理学家杨振宁和李政道在对基本粒子的弱相互作用模型的研究中进一步提出宇称不守恒的模型，后经吴健雄用实验证明而获诺贝尔物理学奖。

纵观物理学的发展，也就是一个个物理模型的建立过程，借助物理模型，架起了物质运动与规律之间的桥梁。物理学的发展必须依赖物理模型的建立。

二、中学物理中出现的物理模型

中学课本中的模型，种类可分为实物理模型、理论模型（亦称过程模型）。凡是以具体事物的造型建立的模型属于实物模型，如质点、轻杆、轻质弹簧、分子、原子、电场线、磁感线等。实物模型的建立，有的是通过对具体事物的科学处理，突出事物的主要方面，而忽略次要方面建立起来的，如质点；有的是对抽象的、无形的、微观的事物的建立而得到的，如分子、原子模型。理论模型是以规律形式建立的，能够反映物理现象的一个过程。如匀速直线运动、简谐运动等等。

三、物理模型在解决问题中的作用

物理模型在现实中是不存在的，与客观事物有一段距离，当然，有的模型十分接近物体，可以直接用来解决实际问题，差距往往是很小的。为了让学生更好地学好物理，首先应熟练掌握课本出现的所有模型；其次应学会运用模型解决问题，并针对问题能建立或寻找合理的模型。下面以一些题目为例来探讨有关用物理模型解决问题的方法。

例1：一跳水运动员从离地10m高的平台向上跃起，举双臂直体离开台面，这时其重心位于从手到脚全长的中点，跃起后重心升高了0.45m达到最高点，落水时身体竖直，手先入水，从离开跳台到手触到水面，他可用于完成空中动作的时间是______________。（计算时可把运动员看作全部质量集中在重心一个质点，g=10m/s2，保留两位有效数字）

分析：本题有三个模型，一个是把运动员看成是一个质点，一个是竖直上抛运动，第三个是自由落体运动。由h1=0.45m，得上抛速度v= =3m/s，上升时间t1= =0.3s；由自由下落高度h2=10.45m，得下落时间t2= =1.4s，所以t=t1+t2=1.7s。

例2：如图，AO是某个圆的一段弧，它对应的圆心角小于50，其表面是光滑的，A、B是弧上两点，今将一个小球分别从A、B两点释放，试比较小球到达O点所用时间的长短。

分析：由于圆心角小于50，可引入单摆的模型，摆长是圆的半径，由小球从AO和从BO，只是单摆的振幅不同，但周期是一样的，小球运动的时间都是周期的 ，所以时间相等。

例3：已知铝的摩尔质量为μ，试求一个铝原子的体积和线度大小，铝的密度为ρ，阿伏加德罗常数为NA。

分析：建立铝原子的模型，假设原子是球形的，铝原子的摩尔体积V= ，每个铝原子的体积v= ，又v= ，D是铝原子的直径，最后得D= 。

在分析不同的物理问题，恰当建立物理模型，再选择相应的规律，就能较轻松地解决问题，在这个思维方式中，物理模型的应用和建立是至关重要的。

总之，为了帮助学生学好物理，提高学习兴趣，寻找一些行之有效的思维方式是十分必要的。教学中，教师能够认识到模型的重要性，并帮助学生熟练掌握课本上的常见模型，再利用模型引导学生去分析问题，将会对学生非常有益。