物理模型：復(fù)雜問題簡單化的有效載體

頡培林

〔關(guān)鍵詞〕 物理教學(xué)；對象模型；條件模型；

過程模型；理想化實(shí)驗(yàn)；數(shù)學(xué)模

型

〔中圖分類號〕 G633.7

〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕 A

〔文章編號〕 1004—0463（2014）

24—0058—01

物理模型是物理學(xué)研究的重要方法和手段，物理教育和教學(xué)中對物理模型的講授是必不可少的。建立物理模型就要忽略次要因素以簡化客觀對象。合理簡化客觀對象的過程就是建立物理模型的過程，根據(jù)簡化過程和角度的不同，可以將物理模型分為以下五類：物理對象模型、物理?xiàng)l件模型、物理過程模型、理想化實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型。下面，筆者就對這五種模型作詳細(xì)闡述。

一、 物理對象模型

這種模型是直接將具體研究對象的某些次要因素忽略掉而建立的，它的應(yīng)用最為廣泛。例如，質(zhì)點(diǎn)就是忽略運(yùn)動(dòng)物體的大小和形狀，而把它看成一個(gè)有質(zhì)量的幾何點(diǎn)，其條件是在所研究的問題中，實(shí)際物體的大小和形狀對本問題研究的影響小到可以忽略不計(jì)。這樣以來，很多類型的運(yùn)動(dòng)描述就得到化簡。比如所有做直線運(yùn)動(dòng)物體都可以看成質(zhì)點(diǎn)。因?yàn)樽鲋本€運(yùn)動(dòng)的物體的每一個(gè)部分每時(shí)每刻都做同樣的運(yùn)動(dòng)，所以就可以忽略其大小和形狀，只需要找這個(gè)物體上的一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行概括，當(dāng)然這個(gè)點(diǎn)的質(zhì)量等于物體本身的質(zhì)量。這樣，直線運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡就是一條直線，很容易想象、理解和刻畫。

二、 物理?xiàng)l件模型

這種模型是忽略研究對象所處條件的某些次要因素而形成的，以輕質(zhì)桿為例加以分析。比如杠桿，在初中階段，問題往往歸結(jié)到力矩的平衡上來，即動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂。動(dòng)力和阻力都包括杠桿以外的物體對杠桿的作用力，還包括杠桿本身的重力。而杠桿重力的力臂在杠桿上的每一點(diǎn)都不同，這樣除了杠桿的形狀是幾何規(guī)則的少數(shù)例子以外的絕大部分杠桿問題在初中階段就沒法解決。而輕質(zhì)桿的引入正好解決了這一問題。輕質(zhì)桿是忽略了自身重力的彈性桿，當(dāng)外界物體對杠桿的力矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于杠桿自身重力的力矩或者與杠桿自身重力的力矩相互抵消時(shí)，就可以把杠桿當(dāng)成輕質(zhì)桿，杠桿受到的力矩只有外力矩，這樣所有杠桿平衡問題都可以迎刃而解。

三、 物理過程模型

這種模型是忽略物理過程中的某些次要因素建立的。在初中物理中有：勻速直線運(yùn)動(dòng)、穩(wěn)恒電流等。這些物理模型都是把物理過程中的某個(gè)物理量的微小變化忽略掉，把這個(gè)物理量看成是恒定的。因?yàn)檫@些量的變化量與物理量本身相比太小了，以至于可以忽略不計(jì)。這樣不用考慮過程中物理量的復(fù)雜變化情況，而只考慮恒定過程，分析問題就容易多了。

四、 理想化實(shí)驗(yàn)

在大量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過邏輯推理，忽略次要因素，抓住主要特征，得到在理想條件下的物理現(xiàn)象和規(guī)律的科學(xué)研究方法就是理想實(shí)驗(yàn)。理想化方法是物理科學(xué)研究和物理學(xué)習(xí)中最基本、應(yīng)用最廣泛的方法。初中物理中就有一個(gè)非常著名的理想化實(shí)驗(yàn)：伽利略斜面實(shí)驗(yàn)。伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)有許多，現(xiàn)在列舉其中的一個(gè)例子。同樣的小球從同種材料同樣高度的斜面上滑下來，在摩擦力依次減小的水平面上沿直線運(yùn)動(dòng)的路程依次增大。伽利略由此推知：小球在沒有摩擦的水平面上永遠(yuǎn)做勻速直線運(yùn)動(dòng)（在理想條件下的物理現(xiàn)象）。牛頓又在此基礎(chǔ)上建立了牛頓第一定律。無需多論，也足以見得理想實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的廣泛和其重要性。

五、 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型是由數(shù)字、字母或其他數(shù)學(xué)符號組成的，描述現(xiàn)實(shí)對象數(shù)量規(guī)律的數(shù)學(xué)公式、圖形或算法。初中物理中的數(shù)學(xué)模型主要有磁感線和電場線。磁感線（電場線）是形象的描述磁感應(yīng)強(qiáng)度（電場強(qiáng)度）空間分布的幾何線，是一種數(shù)學(xué)符號。而磁場和電場本身的性質(zhì)對這些幾何線進(jìn)行了規(guī)定。這樣就使它們成為形象、簡練而準(zhǔn)確地描述磁場和電場的數(shù)學(xué)符號。

總之，物理模型在初中物理教育與教學(xué)中具有舉足輕重的作用，因此，在教學(xué)中教師就要重視對物理模型概念和具體模型（例如上文分析的模型）的講述，重視對建立物理模型方法的講授，重視對學(xué)生建立和應(yīng)用物理模型意識(shí)的增強(qiáng)，重視對學(xué)生建立和應(yīng)用物理模型能力的培養(yǎng)，讓學(xué)生體驗(yàn)到成功建立和應(yīng)用物理模型解決實(shí)際問題的樂趣。

編輯：謝穎麗endprint