高中物理中的模型应用

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  实际问题的研究往往很复杂,由众多的因素所决定的,为了便于分析和研究问题,物理学常采用一种“简化”的方法,即对实际问题进行科学的抽象化处理,抓住其主要因素,忽略其次要因素,经过此思维过程所形成的抽象概念或实物体系即物理模型,它是抽象性与形象性、科学性与假设性的辩证统一。
  中学物理教材中经常碰到的几种物理模型有:
  (1)理想对象模型,即把物理问题中的研究对象模型化。例如在研究物体的机械运动时,当物体的形状、大小对研究的问题的影响忽略不计时,可将物体抽象为物理模型,即质点,从而使所研究的问题大为简化,便于得出结论。高中物理中的点电荷、理想气体、理想电流表、理想电压表等都属于这一类物理模型。
  (2)物理过程模型,即把具体物理过程理想化后所抽象出来的一种物理过程。自然界中各种事物的运动变化过程是极其复杂的,在物理学研究中,不可能面面俱到。要首先分清主次,然后忽略次要因素,只保留运动过程中的主要因素,这样就得到了过程理想模型,如匀速直线运动,匀变速直线运动、匀速圆周运动、自由落体运动、自由落体运动、斜抛运动、弹性碰撞、完全非弹性碰撞、等温过程、等压过程、绝热过程、恒定电流等,都是以突出某一方面的主要特征,忽略一些次要过程后抽象出来的理想过程,都是一种过程模型。
  (3)实验模型,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。
  (4)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,也在不断地建造表现物理状态和物理过程规律的数学模型。当然,由于理想化物理模型是客观实体的一种近似,以理想化物理模型为描述对象的数学模型,也只能是客观实体的近似的定量描述。例如,在研究外力一定时加速度和质量的關系实验中,认为小车受到的拉力等于钩码的重力。其实,小车受到的拉力不完全等于钩码的总重力。只有当钩码的总质量远小于小车和砝码的总质量时,才可近似地认为钩码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。
  纵观历年的高考试题,不难看出,试题都是经命题专家精心编制和筛选的,有很多典型试题都渗透着物理学研究问题的基本方法。然而,中学物理教学中的模型应用存在一些问题。学生学习物理尤其是在建模和利用模型进行理想实验时,缺乏必要的想象力。例如在进行力的作用效果讲解的时候,可能会有一部分学生想象不到什么叫做力的相互作用;洛伦兹力和安培力的学习中,想象不出它们的空间关系。此外,部分学生抽象思维能力难以提高的一个重要原因是,对于物理模型的概念、应用条件模糊不清,不能根据缜密的思维循序渐进的进行合理化想象。物理模型学习中除了建立物理模型过程学习外,还应涵盖应用物理模型解决问题的过程,而这两者对于学生来说都是难点。
  在实际教学中只有强化学生的模型意识,才能帮助学生领会物理问题的研究方法,为熟 练的建立和运用模型解决实际物理问题打下基础。教师在教学中可以对物理模型建立的常用方法对学生进行讲解,帮助学生合理选择模型,并加强学生模型思维的训练。指导和启发学生进行变通、归类,找出所给问题在不同情景下所遵循的规律、本质与已知的典型题目的物理模型的相同,就能达到化繁为简,化难为易,化虚为实。
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