1、1中学物理教学中物理模型的应用姓名 学号 班级 摘要:本文阐述了物理模型的定义并指出了物理模型在中学物理教学中的重要作用；通过分析在普通物理中如何建立物理模型；指出了建立和应用物理模型应注意的一些问题，并由此提出自己的思考。关键词:物理模型；教学中的作用；应用；存在问题；思考引言人类探索世界的脚步从未停止过。在不断的探究过程中，人们通过对物理现象的实验研究和理论分析,经过抽象思维和形象思维,运用理想化、简化和类比等方法,建立起描述物理问题的物理模型，将陌生的物理问题回归到与之对应的熟悉的物理模型上,方便了研究。教育作为一个学习、传播过程，起着传承知识的重要作用，中学物理教育就是传播物理知识的一
2、种重要方式，因此物理模型教学在中学物理教学过程中扮演着重要的角色，重视基本物理模型的了解、建立、迁移,培养学生对基本概念的认识、理解、记忆及创新维能力也成为物理教育发展的趋势。如何将物理模型应用于实际物理教学中，也越来越成为一个重要的课题被研究，本文将对此进行探讨。1. 物理模型在一定的条件下，我们研究时只考虑对实际物理现象来说是主要、本质的特征，而忽略次要、非本质的因素，这种处理问题的方法叫做物理抽象。被抽象出来的物理现象虽然已经不完全是原来的实际物理现象，但是它能反映出原来实际现象发展变化的基本规律，抽象出的物体被称为该实际物理现象的物理模型 1。物理模型是人们为便于研究物理问题或探讨事物
3、的本质而对研究对象所作的简化、描述或模拟，是以物理现象和实验定律为基础，通过分析、综合、比较、分类、抽象、概括等思维方式，采用理想化方法创造，能再现研究对象本质或内在特性的一种简化模型。比如：生活中常见的汽车在平直公路上的运动。在这一现象中，运动有：车身的平动、车轮的转动、内燃机中的热运动、电磁运动以及构成汽车材料的分子和原子的运动等。但我们在描述这一系列复杂的运动时，如果只研究汽车快慢，我们就可以把汽车视为质点，只考虑汽车的平动而忽略其他的运动。如汽车是上山坡，实际情况下，我们除了考虑以上的因素外还要注意到山坡的倾斜角度、汽车的牵引力、坡面对车的阻力、汽车的质量等都不是恒定的。如果我们仍然是
4、只研究汽车的快慢，则可以抽象为这样的2模型：质量为 m 的质点在一个倾角为 长为 s 的斜面上，受到 F 的牵引力，f的阻力，以 v 的速度向上做匀（加、减）速运动。可以说,物理模型是中学物理知识的载体 2，中学物理的各种概念、定律都是建立在物理模型的基础上的，因此物理模型是中学物理学习的根本。2. 物理模型在中学物理教学中的作用物理模型的提出和发展揭示了物理概念的进化和形成，物理学习的认知系统有三个特点 3：物理学习的记忆应以意义记忆为主，而不能靠机械记忆；物理学习中对物理概念和规律的记忆以表象为基础；物理学习中的记忆需不断简化和再组织，物理知识才更具有概括性和适用性。物理学作为一门基础学科
5、，在学习过程中需较强的记忆力，物理模型在知识记忆过程中可以发挥积极作用，学生可以在理解该知识的模型含义或建立模型的过程的基础上进行记忆，同时在记忆的基础上运用该模型使记忆得到强化。物理模型是把研究对象、过程等进行模型，这就要求思维过程具有一定的抽象性，因此在物理教学中正确建立和应用物理模型，有助学生在解决物理问题的同时培养抽象思维能力。根据学习和实习经验发现，许多物理问题的研究对象运动变化过程比较隐蔽、复杂，用某种物理模型来研究时，如建立起已知和未知的关系，就能独辟蹊径，化繁为简，化难为易，达到事半功倍的效果。比如高中物理第一册中的瞬时速度就是建立在“匀速”这个模型上的。在教学过程中，遵循学生
6、的认知规律，循序渐进的启发、引导学生运用物理模型处理物理问题，并帮助学生归纳，总结和提高，使他们熟悉并掌握这种科学研究的方法，不但能使学生加深对物理概念和物理规律的理解，提高解题技巧，促进知识技能的迁移，而且对开发学生智力，发展创造性思维，培养分析问题和解决问题的能力将起着不可低估的作用。3. 物理模型在中学物理教学中的应用3.1. 物理模型在力学中的应用中学物理力学部分的知识是物理学的基础知识，力学知识在整个中学物理占着重要地位，学好力学部分的知识，可以为后续的物理概念、规律的接受提供了一个条件，也为学好中学物理课甚至是以后的物理学习打下好的基础。在力学部分的学习过程中应教会学生养成良好的思
7、维习惯，因此力学部分的物理模型建立就显得更加重要。3.1.1. 力学中常见的物理模型物理学中物理模型有很多，在分类上，根据研究的各个阶段模型化的侧重3点不同，把物理模型分类 4为：对象模型、条件模型、过程模型。在研究的过程中确定了研究对象后把研究的对象模型化就叫对象模型；将已知的条件模型化，突出条件的本质因素而剔除条件中的次要因素叫条件模型；找出该对象在变化过程中所遵循的规律后，把实际过程进行近似处理，叫做过程模型。在力学中常见的对象模型有：质点模型、轻质弹簧、刚体、单摆、弹簧振子等。条件模型有：形变产生弹力的模型、力平衡模型、光滑桌面（水平面）模型等。过程模型有：匀速直线运动、匀变速直线运动
8、(其中包括了自由落体运动、上抛物体运动等)、匀速圆周运动、简谐振动、机械能守恒过程、动量守恒过程、碰撞、一般外力做功等。3.1.2. 建立力学模型的方法中学生在认知上存在一定的局限性，经常以偏概全且容易受思维定势的影响。根据中学生的特点，通常用以下几种方法来建立物理模型 5：做实验建立；下定义建立；举例建立；用习题、练习建立。由于力学在中学物理教材中的基础性和重要性，在实际教学中，根据具体要建立的模型来选择，以上的几种方法都会经常用到。比如：在讲胡克定律 6时进行的弹簧伸长实验。在实验中不断的增加砝码的质量，弹簧的伸展的长度也越长，这个时候强调弹簧是“轻质弹簧”即弹簧的质量可以忽略不计，通过实
9、验数据的分析就可以得出胡克定律来。这样加深了学生对该定律的理解，同时也让学生建立起了“轻质弹簧” 模型以及弹簧伸缩模型。再如：建立“自由落体运动”这一物理模型时，可以举学生常见的粉笔、橡皮从空中静止开始下落（即初速度为零）的例子来建立自由落体运动模型。又如：学生做题时常会遇到“光滑桌面” 、 “轻绳” 、 “铁块”等一些模型化的概念。学生在第一次见到时可能不知道这些模型所包含的实际物理模型，但通过自己思考与教师给予的适当提示后，学生能建立起初步的模型，通过练习就能慢慢建立起最终的模型并学会应用。3.1.3. 模型应用举例例 7:物体从静止开始做匀加速运动。当物体达到 20 米/秒时，立即改做匀
10、减速运动直至停止，若它一共运动的时间为 1 分钟，求它的总位移。分析：虽然题目中没有提到该物体具体是什么，但从平常的做题易知该“物体”可抽象为质点，用到了质点模型，题目中提到的匀加、减速运动也是运动学里两个典型模型。题目中给出物体是先做初速为零的匀加速运动，而后做匀减速运动直至停止，但是并没有给两个简短运动的加速度数值及运动的时间，只是给出两阶段的总时间，用一般的模型不能解这道题。必须抓住题目中给出的运动过程中最大速度值以及最小速度值，可以用另一个模型来进行计算，即 ( 为平均速度)，从而 （加速段） ，vts20tv1012tvs4（减速段） ，所以总位移为：22tvst)(602)(121
11、 米tt3.2. 物理模型在电学中的应用电学在中学物理中也有很大比重，这部分引入一些新的概念、条件、定律，实际是力学部分知识在电场中的一些新应用，因此综合性比较强，用到的物理模型也有很多。3.2.1. 电学中常见的物理模型常见的对象模型有：点电荷、理想导体、绝缘体、理想化电表、纯电阻、纯电感、纯电容、理想变压器、理想二极管等。比较常用的点电荷模型。3.2.2. 建立电学模型的方法由于电学中的许多知识是和力学知识相结合的，所用模型都和力学的相同，仅仅是力学中物理模型在电学中的拓展，建立电学模型的方法和力学相似，但是要特别注意电学中各种物理量变化对原力学模型的影响。比如带电离子以匀速进入磁场后偏转
12、和力学中抛体下落相似。3.2.3. 模型应用举例例 8：如图 1 所示，一条长为 L 的细线，上端固定，下端拴一个质量为 m的带电小球，将它置于匀强电场中，电场强度大小为 E，方向是水平的，已知当细线离开竖直位置的偏角为时 a，小球处于平衡位置.求如果使细线的偏角 a增大到 b，然后将小球由静止开始释放，则 b 应该为多大才能使细线到达竖直位置时小球的速度刚好为零？由力的平衡模型分析可知：小球处于重力场和电场中，受到恒力 mg 和 qE作用，所以其合力 也是恒力，且方向恒为 OB 方向(如图 2)。22)(qEmgf把电场模型等效转换为“重力场”模型，得出小球将在“等效重力”F 和拉力T 作用
13、下沿 ABC 圆弧摆动，其中 B 点为平衡位置，根据单摆振动特点，得出5b= 2a 3.3. 物理模型在热学与光学中的应用中学物理中，热学与光学部分相对于整个物理教学内容来说是很少的一部分，物理规律、公式教少而物理概念比较多，主要属于记忆类的内容。学习这个部分的时候主要教会学生在理解物理模型的基础上对知识进行记忆。3.3.1. 热学与光学中常见的物理模型常见的对象模型有：理想气体、光线、点光源、薄透镜等。过程模型有：等温过程、等压过程、等容过程、绝热过程、弹性碰撞、完全非弹性碰撞等。3.3.2. 建立热与光学模型的方法由于热学、光学知识在整个中学物理教学中属于概念多的内容，在教材的安排上实验、
14、习题教少，但这部分的很多物理模型在日常生活中都能找到原型，有的内容不仅找不到生活原型，实验也很难展示。基于以上的内容特点，这个部分可住要采用举例子和下定义的方法建立物理模型。例如：“理想气体” 模型，首先给出理想气体的定义是严格遵守气体实验定律的气体，称为理想气体。然后将实际气体与理想气体 9进行对比，并说明实际气体在压强不太大(与大气压强相比)、温度不太低(与室温相比)的情况下，可以近似视为理想气体。当然，对于具体的物理模型，建立方法主要还是根据教学环境和教学条件进行选择。3.3.3 模型应用举例例 10：有一个质量为 100g，比热是 0.418J/g0C 的量热器,器内盛有 00C 的冰
15、 200g.现通入 1000C 的水蒸汽 100g 后,求这个量热器的最终温度。分析：通过题目的阅读分析得出两个模型：一个是量热器绝热的模型，还有一个是热平衡模型，于是有这样的解法：由这两个模型得出：代入数据解得：t=154.5 0C。)01()0()0( 321 mcLtmctcm但是通过对结果的分析，可以明显看出上述解题方法是不对的，因为在热交换的过程中温度不能超过水蒸气的温度，也就是不能超过 1000C，根本原因是没有弄清楚物理模型的适用条件和过程。正确建立的物理模型是：冰和量热器升至 1000C 时候： ，100gJccQ521 1.)10()0( 吸的水蒸气全部液化放出的热 ，知 ，
16、实Lm53.59放 放Q吸际过程是水蒸气只有一部分凝结成 1000C 的水，也就是说建立模型的时候，模型的对象只是上述错误解题中对象的一部分。可以假设，有 m g 的水蒸气液化的时候有 = ，即 ，所以有 m=68.6g，正确的结果是，放 吸 24.1.5395最终的温度为 1000C，其中 1000C 的水有 268.6g，100 0C 的水蒸气有 31.4g。这6样，建立了正确的模型，从而使问题得到正确的解决。4. 物理模型教学的问题及思考4.1. 物理模型教学存在的问题4.1.1. 物理模型具有一定的适用条件模型具有一定的适用条件的。建立物理模型的目的，是在不发生大的偏差的基础上使问题得
17、到简化处理。绝对符合的模型是不可能存在的，只是在现实生活中，在一定场合、一定条件下研究的事物与某种“模型”十分接近时可把作为一种模型，这就要求我们把握住模型应用的条件，对具体问题具体做分析。例如，在研究汽车在公路上运动的时候，由于汽车的长度比路程小得多，汽车上各点相对于地面的运动可以看作是相同的，即汽车的形状、大小可以忽略不计，这样就可以把汽车当作一个“质点”来处理。但在研究汽车车轮的转动时，汽车的形状、大小不可以忽略，就不能把汽车当作一个“质点”来处理。依次在教学过程中要多强调物理模型的具体适用条件，让学生正确理解物理模型的外延和内涵，树立“怀疑”的学习态度。4.1.2. 物理模型具有局限性
18、物理模型是以一定事实为依据，用现有的理论基础做出的一种大胆猜测。随着认识的不断加深，建立的模型和认识一起不断的改进，于是出现这样一个现象，物理学的发展过程中，总是一个模型接一个模型，且总是后者否定前者，也就是说，物理模型是在不断的发展的。如经典振动模型应用于固体时，比热理论与实验不相符。原子中电子绕核的经典轨道模型无法说明原子能级的不连续性，也不能解释为什么有电磁辐射的能量损失等。但是，物理模型并非理论建立的唯一途径，比如爱因斯坦的狭义相对论摆脱了物理模型的束缚 11，建立在相对性原理和光速不变原理基础上的。4.2.对实际物理模型教学的一些思考物理模型在物理教学中有很重要的作用，由于其本身的局
19、限性及实际教学条件的影响使得在具体实施模型教学的时候应注意一些问题。4.2.1. 建立物理模型的应给予足够的时间根据我实习的学校情况，发现教师在教学过程中对一些建立物理模型的演示实验在课堂上往往不进行实际演示，而仅仅是用叙述的方式向学生展示，课后可以帮助学生建立物理模型的“做一做” ，教师也只是提一提，更多时候是直接跳过，学生实验也只是让学生懂得如何做而并不关心学生是否懂得与建立物理模型相关的实验的原理。通过教育实习发现，新、老教师都存在这样的问题。7这样使得学生认识模型、建立模型的时间出现不足，影响学生学习建立模型。出现这样的情况并不是教师单方面造成的，与现在教育压力过大有一定的关系，现在的
20、教育过于注重学生的成绩而忽略学生能力的提高，随着素质教育的开展，这个问题应该可以得到解决。4.2.2. 运用物理模型应多样当用某种模型对研究对象进行抽象后就可以得到具体研究对象的物理模型，但在实际教学过程中，只用某一种模型是不能完全建立对实际研究对象的物理模型，对不同的研究阶段采用不同的模型对进行研究对象抽象研究某一具体问题时。比如研究跳水运动的运动过程就要用到质点模型和自由落体运动模型。对物理对象进行分析发现，研究的对象涵盖了所有的客观事物，而客观事物是多种多样的，其性质或多或少是有区别的。所以，在教学中物理模型的建立往往并不是只可以用某一种方法去建立或者只能用某几种方法。比如上文提到的“平
21、均速度”的模型，可以用举例的方法，也可以用做实验的方法。理想气体的模型用下定义或例题的方法都可以建立。在研究的过程中很多时候都是几种方法交替使用，最终建立一个能描述研究对象的模型。4.2.3 物理模型和建立物理模型的方法应适用于具体教学情况由于学生生活环境、经验不同，导致学生有不同的认知水平、认知能力最终造成学生个体的多样性。同一个物理问题选择不同的模型建立方法，对于相同的学生会有不同的效果；相同的方法对不同的学生更有不同的效果。因此教师在进行模型教学的过程中选择物理模型以及选择建立物理模型的方法时应考虑学生个体的多样性、不同班级学生的共性的同时还要考虑不同的学校教学条件，是建立模型的整个过程
22、最优化。综合来说物理模型教学不能千篇一律，它要求教师充分的掌握教学的综合情况，根据实际教学需要以及教学条件因地制宜的选择恰当的方法，最大限度的让学生能做到“知、懂、用” 。5.结束语掌握好物理模型及其建立方法可以为物理学习打下坚实的基础。物理模型的多样性决定了建立模型、应用模型的多样性，因此具体的教学实施过程中，建立物理模型不可能千篇一律，物理模型的建立要求教师在了解实际的教学条件的基础上，准确的把握学生的情况，利用自己广博的知识引导学生正确建立物理模型，从而提高学习的效率。物理模型在中学物理教学中发挥着极为重要的作用，但是还有待于在实际的教学中有更多应用。8参考文献：1 张立功.建立物理模型
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