浅谈高中物理模型的类型和建立方法

【摘要】物理学是研究物质运动规律的学科，而实际的物理现象和物理规律一般都是十分复杂的，涉及到许多因素。舍弃次要因素，抓住主要因素，从而突出客观事物的本质特征，这就叫构建物理模型。构建物理模型是一种研究问题的科学的思维方法.从本质上讲，分析和解答物理问题的过程，就是构建物理模型的过程。

【关键词】物理模型 物理教学

物理学是研究物质运动规律的学科，而实际的物理现象和物理规律一般都是十分复杂的，涉及到许多因素。舍弃次要因素，抓住主要因素，从而突出客观事物的本质特征，这就叫构建物理模型。构建物理模型是一种研究问题的科学的思维方法.从本质上讲，分析和解答物理问题的过程，就是构建物理模型的过程。

在物理学习中我们可以把物理模型分为三类，即实体物理模型，状态物理模型和过程物理模型。

1：实体物理模型。实体物理模型又分为三类：物质模型，系统模型，结构模型。

物质模型：这种模型是建立在客观实体基础上的，是根据所讨论的物理问题的性质和需要，把客观实体理想化。其原型是实际的物体，其任务是反映事物的表象，要素和性质。例如：质点，理想流体，理想气体，点电荷，点光源。

系统模型：在物理学中，系统是泛指相互作用的对象的全体。他的根本特征是把原型当作一个有普遍联系，相互作用的有机整体，他把研究单个实体转向因素众多的整体系统。如力学系统，保守力系统，热力学系统，等等。系统模型可以使我们在研究某些物体间的相互作用是，忽略其他物体对他们的影响，物理学中的定理定律问题等，都是建立在系统物理模型基础上的。

结构模型：在研究复杂的物理问题时，涉及到多个要素，尽管要素是构成系统的物质基础，但最终支配这些要素，决定系统特性的是系统的整个结构。如卢瑟福原子模型，J.J汤姆逊枣糕式模型等等。

2：状态物理模型 物理学是一门定量的科学。马克思曾说过：“一种科学只有在它成功地运用数学时，才算达到了真正完善的地步。”因此，物理学不但要有实体模型，还有有能在数量上表现实体模型的运动变化，即实体所处状态的状态模型。所谓状态模型就是用状态参量描写实体物理模型所处的状态。在中学物理中的状态参量有：算术量（如体积，质量，动能），代数量（如势能，温度等）几何量（如力，速度，加速度等）。一个状态往往是由几个状态参量的集合来表征的。如运动学中的匀速直线运动是由位移，速度，时间三个量描写的;理想气体状态是用压强，体积，温度三个参量描写的。电路状态是由电流，电阻，电压三个参量描写的;这样，在确定了物体所处的状态之后，我们就可以确定一组来描写所研究模型的状态。状态模型是对实际物理模型的进一步抽象，这使得对物理现象的定量描述有了可能。在中学物理中广泛使用的图线和图像，就是状态物理模型的一种直观描述。如在以状态参量为坐标轴而建立的坐标系中，一个物理状态就可以由坐标系中的一个点来表示，确定这个点的过程，就是确定物体所处状态的过程。

3：过程物理模型 自然界中各种物理现象的变化过程是极其错综复杂的，为了突出事物变化过程的主要因素，就需要把物理过程理想化，从而建立过程物理模型。如热学中的等温过程，等压过程，等容过程，绝热过程;在力学中所说的过程即为运动如匀速直线运动，匀变速直线运动，简谐运动等。描写物理形象变化过程的数学解析式就是过程方程，如气体状态方程，牛顿运动定律以及一些方程组。当然过程物理模型也可以用图形直观的表示出来，在坐标系中由状态变量构成的点表示了状态物理模型，这些状态点连成的轨迹就是过程物理模型的直观表述。

高中物理模型实际的建模方法多种多样。模型的构建，需采用对应的方法。实际物理建模时，使用什么样的建模方法，应根据物理原型本身的性质和建模的具体需要来决定物理模型的构建，常用方法如下。

1、量纲分析法：在物理模型构建时，可以利用量纲分析法来找到相关物理量间的相互关系，从而构建出相应的物理模型，如单摆周期模型。

2、科学抽象法：抽象是指从具体事物中提炼出某个或某些方面、某些属性等.如隔离法确定研究对象、天体做匀速圆周运动、理想弹簧模型。

3、理想化法：是对研究对象或物理过程加以简化，抓住主要因素，忽略次要因素，找出它们在理想状况下所遵循的基本规律，并构建出相应的物理模型.如刚体、轻杆、平动运动、理想气体模型、伽利略斜面实验等。

4、类比法：许多物理现象彼此之间存在着许多相同或相似的物理属性，人们由此推测它们之间也存在着一些另外的共性.如光与声具有反射、折射等属性，惠更斯据此提出了光的波动模型;微观粒子与光一样具有粒子性，德布罗意建立了物质波模型;卢瑟福根据原子结构与太阳系类似，建立起了原子的行星结构模型。

5、等效替代法：当所研究的物理问题比较隐蔽、复杂、难于直接研究时，可以用等效替代法建立起相应的比较简单、易于研究的等效物理模型，可分为过程等效替换（带电粒子在匀强电场中的类平抛运动）、作用等效替换（运动的合成与分解）、等效结构（弹簧振子和LC振荡电路）等等。

6、微元法：在构建物理模型时，将研究对象或物理过程视作由许多微小体或元过程组成，而所研究的对象或物理过程整体所遵循的物理规律，可通过积分来得到，如匀变速运动的位移公式。

7、假想法：当所研究的物理现象不能直接观察，或现有的物质、实验条件还不能进行真实模拟时，人们可根据已知的物理原理、物理规律对所研究的物理现象提出一种假定性的推测和说明，从而建立起相应的物理模型，如牛顿第一定律、机械能守恒定律等。