高中物理中的物理模型教学研究

高中物理中的物理模型教学研究

物理学是自然科学中的一门基础学科，它是研究物质运动最普遍、最一般的运动规律的科学。而高中物理教学，仅仅是基础教育的一部分，又局限于学生的能力水平限制，因此，把自然现象简化，即建立物理模型，是学习高中物理的重要手段。例如，在研究物体的机械运动时，实际上的运动往往非常复杂，不可能有纯粹的直线运动、匀速运动、圆周运动。为了使研究简化，常采取忽略次要因素，突出主要因素，把问题理想化的方法，如引入匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速圆周运动等理想化的运动。这就是物理模型，然后在用物理模型处理物理问题。

一、物理模型的建立和应用：

建立物理模型可以提高学生理解和接受新知识的能力。在机械运动中首先建立 “质点”模型：忽略实际问题中物体的大小、形状等几何因素，突出物体的质量，实际物体即可理想化为不占任何空间的“质点”模型。学生对这一模型有了充分的认识和足够的理解，为以后学习质点的运动、万有引力定律、物体的平动，以及 “点电荷”、 “点光源”模型等奠定了良好的基础。使学生学习这些新知识时容易理解和接受。

正确应用物理模型是指学生将复杂的物理问题简单化、理想化，使抽象的物理问题更直观、具体，突出了事物间的主要矛盾。正确使用物理模型对学生的理解能力、分析能力、运用所学物理知识解决实际问题能力的提高起着至关重要的作用。学生在解决问题（尤其是复杂的物理问题）时，若能够将所学物理模型正确的应用到问题中，问题将迎刃而解。

二、高中物理教学中典型的物理模型：

物理模型是物理学研究方法的重要体现，是科学地进行物理思维并从事物理研究的一种方法。高中物理教学中常见的物理模型，如下：

1、研究对象模型化。物理教学中的某些客观物体，如质点：舍去物体的形状、大小、转动等次要因素，突出它的空间位置和质量等主要因素，用一有质量的点来描述，这就是对实际物体的简化。当物体本身的大小在所研究的问题中可以忽略，也能当作质点来处理。类似质点的客观实体还有刚体、点电荷、薄透镜、弹簧振子、单摆、理想气体、理想电流表、理想电压表等。

2、研究对象所处的环境模型化。当研究带电粒子在电场、磁场中运动时，粒子所受的重力远小于电场力、洛仑兹力，可以忽略粒子重力的作用，使问题得到简化。力学中的光滑面；热学中的绝热容器、电学中的匀强电场、匀强磁场等等，都是把物体所处的环境理想化。

3、物理状态和物理过程的模型化。力学中的自由落体运动、匀速直线运动、简谐运动、弹性碰撞；电学中的恒定电流、等幅振荡；热学中的等温变化、等容变化、等压变化等是物理过程和物理状态的模型化。

4、理想化实验。在物理实验的基础上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，把实际过程理想化，找出其规律。例如，伽利略的理想实验为牛顿第一定律的产生奠定了基础。

5、物理中的数学模型。物理学在建立物理模型的同时，也在不断地建立表现物理状态及物理过程规律的数学模型。由于物理模型是客观问题的一种简化，以物理模型为描述对象的数学模型，也只能是客观问题简化后的定量描述。例如，在研究牛顿第二定律建立的过程中，外力一定时加速度和质量的关系时，认为小车受到的拉力等于砂和砂桶的重力；其实，小车受到的拉力不等于砂和砂桶的总重力。只有砂和砂桶的总质量远小于小车和砝码的总质量时，才可近似地取砂和砂桶的总重力为小车所受的拉力，这是简化计算的一种数学模型。单摆作简谐运动时，为什么要求摆角小于5度？这是因为只有在这种情形下，单摆的回复力才近似与位移成正比，才满足简谐运动的条件。

三、物理模型在高中物理教学中的应用：

学习高中物理，从某一角度理解，就是学生建立物理模型、应用物理模型的过程。物理模型的应用过程主要有以下几个环节：

首先，建立模型概念，理解物理概念。概念是客观事物的本质在人脑中的反映，客观事物的本质属性是抽象的、理性的。要想使客观事物在人脑中有深刻的反映，必须将它与人脑中已有的事物联系起来，使之形象化、具体化。物理模型大都是以理想化模型为对象建立起来的。建立概念模型实际上是忽略与问题无关、对问题影响很小的次要因素，抓住主要因素，认清问题的本质，利用理想化的概念模型解决实际问题。如质点、刚体、理想气体、点电荷等等。学生在理解这些概念时，很难把握其实质，而建立概念模型则是一种有效的思维方式。

其次，认清环境模型，突出主要矛盾。环境模型就是将研究对象所处的物理模型化，舍去环境中的次要因素，抓住条件中的主要因素，为问题的讨论和求解起到化难为易的作用。例如，我们在研究两个物体碰撞时，因作用时间很短，忽略了作用过程中物体的位移、所受摩擦力等，认为系统的总动量保持不变。

然后，构造物理过程模型，建立物理情景。过程模型就是将物理过程模型化，将复杂的物理过程经过分解为几个简单的、易于理解的物理过程。例如，为了研究平抛物体的运动规律，我们先将问题简化为下列两个过程：1.质点在水平方向不受外力，做匀速直线运动；2.质点在竖直方向仅受重力作用，初速度为零，做自由落体运动。可见，过程模型的建立，不但可以使问题得到简化，还可以加深学生对物理规律的理解。

最后，转换物理模型，深入理解物理模型。通过把实际问题理想化，可以忽略各种次要因素的干扰，直接深入到问题的本质，准确地认识问题的性质和规律。如，建立起“单摆”这一理想化模型后，理解了单摆的周期公式，可以解决单摆的一系列问题：在竖直的光滑圆弧轨道内作小幅度运动的小球的时间问题；在竖直的加速升降机内摆动的小球的时间问题；

四、应用物理模型注意的问题：

1.注意物理模型的适用条件。物理模型是在实际问题的基础上经过简化建立起来的，可以把实际问题当作“理想模型”来处理，但也要具体问题具体分析。例如，在研究地球绕太阳公转运动的时候，由于地球与太阳的平均距离(约15000万千米)比地球半径(约6400千米)大得多，地球上各点相对于太阳的运动可以看作是相同的，即地球的形状、大小可以忽略不计，这样就可以把地球当作一个“质点”来处理；但在研究地球自转时，地球上各点的转动半径不同，地球的形状、大小不可以忽略，不能把地球当作一个“质点”来处理。

2.物理模型建立后，不是一成不变的，随着人类对客观世界认识能力的不断提高，物理模型也是在不断完善发展的。例如，原子模型的建出就是一个不断完善的过程。起初，人们认为原子是不可分的，其英文名称atom的原义，即不可分割的意思。直到1897年汤姆生通过阴极射线实验发现电子，揭开了原子结构的序幕，汤姆生建立了原子的“枣糕”模型，“枣糕”模型能说明原子是中性的，并能说明辐射电磁波形成原子光谱，但解释不了α粒子散射现象。卢瑟福进行了α粒子散射实验，他又在“枣糕”模型的基础上，建立了“核式结构”模型：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕核旋转。“核式结构”模型可以解释α粒子散射实验，还可以估算出原子核的大小，但与经典的电磁场理论产生了矛盾。玻尔为了解决上述矛盾，提出了原子的“轨道量子化”模型，这种模型的内容是三条假设：即能级假设、跃迁假设、轨道假设。

由于客观世界中的问题具有多样性，它们的运动规律往往是十分复杂的，不可能一下子把它们认识清楚。采用物理模型来研究物理问题，不但是高中物理学习过程中的重要方法，

也是物理学研究问题的一种重要手段。学生通过物理模型的学习，不但能够正确理解物理概念、物理规律，体会物理学研究问题的重要方法，而且为以后的学习奠定了良好的基础。