运用物理模型于教学中

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  [摘 要]物理模型是在抓住主要因素忽略次要因素的基础上建立起来的。它能具体、形象、生动、深刻地反映事物的本质和主流。建立和正确使用物理模型对学生的思维发展、解题能力的提高起着重要的作用。可以把复杂隐含的问题化繁为简、化难为易,起到事半功倍的效果。建立物理模型,可使问题的处理大为简化而又不会发生大的偏差。现实世界中,有许多事物与这种“理想模型”十分接近,在一定场合、一定条件下,作为一种近似,可以把实际事物当作“理想模型”来处理,但也要具体问题具体分析。
  [关键词]模型 质点 状态 过程
  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。而所有的自然现象都不是孤立的。这种事物之间复杂的相互联系,一方面反映了必然联系的规律性,同时又存在着许多偶然性,使找们的研究产生了复杂性。物理模型是在抓住主要因素忽略次要因素的基础上建立起来的。它能具体、形象、生动、深刻地反映事物的本质和主流。
  一、物理模型在教学中的作用
  建立和正确使用物理模型可以提高学生理解和接受新知识的能力。例如,我们在运动学中建立了“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、物体的平动和转动,以及电学中的“点电荷”模型、光学中的“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。
  建立和正确使用物理模型有利于学生将复杂问题简单化、明了化,使抽象的物理问题更直观、具体、形象、鲜明,突出了事物间的主要矛盾。
  建立和正确使用物理模型对学生的思维发展、解题能力的提高起着重要的作用。可以把复杂隐含的问题化繁为简、化难为易,起到事半功倍的效果。
  二、中学物理中常见的物理模型
  物理模型是物理思想的产物,是科学地进行物理思维并从事物理研究的一种方法。就中学物理中常见的物理模型,可归纳如下:
  物理对象模型化。物理中的某些客观实体,如质点,舍去物体的形状、大小、转动等性能,突出它所处的位置和质量的特性,用一有质量的点来描绘,这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、理想电压表等等。
  物体所处的条件模型化。当研究带电粒子在电场中运动时,因粒子所受的重力远小于电场力,可以舍去重力的作用,使问题得到简化。力学中的光滑面;热学中的绝热容器、电学中的均匀电场、均匀磁场等等,都是把物体所处的条件理想化了。
  物理状态和物理过程的模型化。例如,力学中的自由落体运动、匀速直线运动、简谐运动、弹性碰撞;电学中的稳恒电流、等幅振荡;热学中的等温变化、等容变化、等压变化等等都是物理过程和物理状态的模型化。
  理想化实验。在实验的基础上,抓住主要矛盾,忽略次要矛盾,根据逻辑推理法则,对过程进一步分析、推理,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。
  物理中的数学模型。客观世界的一切规律原则上都可以在数学中找到它们的表现形式。在建造物理模型的同时,也在不断建造表现物理状态及物理过程规律的数学棋型。当然,由于物理模型是客观实体的一种近似的定量描述。例如,在研究外力一定时加速度和质量的关系实验中,认为小车受到的拉力等于砂和砂桶的重力,其实,小车受到的拉力不正好等于砂和砂桶的总重力。只有砂和砂桶的总质里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,这是我们采取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10 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、使用模型应注意的问题
  模型是在一定条件下适用的。建立物理模型,可使问题的处理大为简化而又不会发生大的偏差。现实世界中,有许多事物与这种“理想模型”十分接近,在一定场合、一定条件下,作为一种近似,可以把实际事物当作“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14960 万千米)比地球半径(约6370 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。
  物理模型是在不断完善发展的。随着社会的不断进步,人类对事物的本质的认识也是不断深入和提高的,物理模型也相应地由初级向高级发展并不断完善。例如,原子模型的提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。后来又有人建立了多种模型。
  总之,由于客观事物具有多样性,它们的运动规律往往是非常复杂的,不可能一下子把它们认识清楚。而采用理想化的客体(即物理模型)来代替实在的客体,就可以使事物的规律具有比较简单的形式,从而便于人们去认识和掌握它们。建立正确的物理模型可使我们对物理本质的理解更加细致深入,对物理问题的分析更加清晰明了。所以,物理模型在教学领域有着重要的价值。
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