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一、物理模型概述
1.物理模型的概念
所谓物理模型,即在分析和解决实际物理问题时,突出主要的、本质的特征,忽略次要的、非本质的因素,对实际物体和物理过程所做的一种简化的描述或模拟。这是一种抽象的思维方法。比如质点,就是突出了物体的质量,忽略了它的形状、体积、温度和发光等因素而形成的一种理想化模型。以物理事实为基础,运用科学的思维方法,构建物理模型的过程是培养学生的创造思维和探索能力的有效途径。
2.物理模型的分类
根据物理模型在实际问题中所起的作用,一般分为两大类:一类是表示物体的模型即对象模型。如质点、光滑平(曲)面、弹簧振子、单摆、理想气体、点电荷、理想变压器、点光源、平面镜、卢瑟福原子核式模型、玻尔原子模型等。另一类是表示状态和过程的模型即过程模型。如匀速(匀变速)直线运动、匀速圆周运动、抛体运动、简谐振动、对心碰撞、理想气体的变化过程(等温变化、等容变化、等压变化、绝热变化)、光的直线传播、光的反射、光的折射等。
3.物理模型的主要特点
典型性是物理模型的首要特点。物理模型是从一类物理问题中,抓住本质问题,删除干扰和次要因素,集基础知识与基本规律于一体,具有代表性的结晶。
方法性是物理模型的第二个特点。物理模型不只是知识的结晶,同时也是思维的结晶。掌握好物理模型除了加深对物理概念的理解之外,还可以从物理模型的建立,理解物理知识深刻的内涵及外延,体会运用物理知识解决实际问题的思路和逻辑方法。
二、实际问题中如何建立物理模型
1.直接建立法
直接建立法的步骤为:
①明确研究对象,抽象为理想化的对象模型。
②分析所处环境,建立正确的理想化环境,即物理环境。
③准确分析研究对象在物理环境中的运动变化,突出过程特点,抽象为理想化的过程模型。
对具体物理问题,在确立研究对象并抽象为理想化的对象模型后,应认真分析物理现象产生的物理过程、明确物理过程进行的特点、影响物理过程进行的各种因素,根据具体问题的具体要求,在突出过程特点的前提下,抓住重点,忽略次要点,把实际的物理过程抽象为理想化过程。然后按照其遵循的物理规律列出方程,问题也就迎刃而解了。
例:如图1,劲度系数为K的弹簧,一端固定于墙壁,另一端连着质量为M的物体,物体静止于光滑水平面上的O点现有一质量为m的子弹以水平速度v0射入且留在物体中,试问最少需要多长间物体又到达0点?物体的最大位移是多少?
解:开始时取子弹和物体组成的系统为研究对象,忽略子弹的转动,认为子弹射进物体的过程为平动,从而建立质点系统模型。而子弹从开始射入木块到停留在木块中这一过程时间极短,弹簧的形变微小到可以忽略,所以可认为在此过程中,沿水平方向系统所受合外力为零,系统的变化为完全非弹性碰撞,从而可建立完全非弹性碰撞过程模型。系统动量守恒,故有:mv0=(M+m)v
由此可得系统的初速度:v=■v■
又因为系统获得速度的过程短暂,它们的位移微小到可以忽略,故可认为系统虽已具有速度v,但还处在平衡位置O点处。此后,选取子弹、物体和弹簧组成的系统为研究对象,忽略弹簧质量、空气阻力和摩擦力,建立弹簧振子模型;振子从平衡位置O处以速度v向左运动的过程,满足简谐振动模型,故根据简谐振动的周期公式和机械能守恒,可得方程:
T=2π■ ■KA2=■(M+m)v2
由上式即可获知物体再次到达O点的最短时间t与物体的最大位移A分别为:
t=■=π■ A=■
在这个问题的解决中,我们先后建立了两个研究对象的物理模型(相互作用的质点系及弹簧振子)和两个运动变化的物理模型(完全非弹性碰撞及简谐振动),这些模型一建立,我们就知道用动量守恒和简谐振动公式求解,得出相应的结果,问题也就迎刃而解。
2.用类比、等效变换进行物理模型的迁移
类比、等效变换是以某种已确定的模型为基本模型,把与此形态、性质或规律类似的其他客体归纳到基本模型,用与基本模型相同或类似的研究方法来认识新客体的性质或规律,从而形成学习的正迁移。有助于学生求同思维的发展。
如用单摆振动等效类比电磁振动荡过程;将理想气体分子等效为弹性小球,并用弹性小球对器壁的碰撞去解释和推导气体压强公式;用天体系统中的行星模型类比卢瑟福原子的核式结构及玻尔原子模型,大大降低了学习难度。
三、物理模型在中学物理教学中的作用
1.物理模型可使教学重、难点“软着陆”
中学物理教材中的许多物理知识比较抽象难懂,往往不易被学生理解和接受,学生常感到问题复杂,学习起来困难。但通过采用模型方法来实施教学,突出问题的主要因素,简化次要因素,引导学生建立起清晰的物理情景,暴露物理过程,达到疏通思维渠道,使物理问题由难变易,由繁化简,起到软化教学过程的作用。
2.物理模型可促进学生能力的提高
每一个物理过程的处理,物理模型的建立,都离不开对物理问题的分析。教学中,通过对物理模型的设计思想及分析研究思路的教学,能培养学生对较复杂物理问题进行具体分析,区分主要因素和次要因素,抓住问题的本质特征,正确运用科学抽象思维的方法去处理物理问题的能力,有助于学生思维能力的提高,也有助于学生掌握物理学的研究方法。
3.物理模型还有推进中学物理教学过程中辩证唯物主义思想教育的作用
物理学中每一个物理模型的建立与发展都蕴藏着丰富的哲学内涵,它是我们在教学过程中对学生实施辩证唯物主义教育的好教材,应充分给予挖掘。如在光的本质教学中,通过光的波粒二象性模型说明矛盾着的两个方面即对立又统一;在对原子结构模型的发展变化的讲解中,引导学生去理解真理发展的辩证关系,即真理是客观的,同时又是相对的,使学生认识到人类对客观世界的认识具有历史局限性,从而帮助学生树立起正确的辩证唯物主义的方法观。
这就要求我们在平时的教学中,不仅要让学生掌握基本概念、规律的内涵外延,还要引导学生重视它们是如何分析判断、抽象得出的,培养学生的科学方法技能,教会学生善于从新材料中提出信息,学会如何思考加工处理,构建模型,实现已有知识和技能的迁移,培养学生的创新思维能力。
(责任编辑:张华伟)
1.物理模型的概念
所谓物理模型,即在分析和解决实际物理问题时,突出主要的、本质的特征,忽略次要的、非本质的因素,对实际物体和物理过程所做的一种简化的描述或模拟。这是一种抽象的思维方法。比如质点,就是突出了物体的质量,忽略了它的形状、体积、温度和发光等因素而形成的一种理想化模型。以物理事实为基础,运用科学的思维方法,构建物理模型的过程是培养学生的创造思维和探索能力的有效途径。
2.物理模型的分类
根据物理模型在实际问题中所起的作用,一般分为两大类:一类是表示物体的模型即对象模型。如质点、光滑平(曲)面、弹簧振子、单摆、理想气体、点电荷、理想变压器、点光源、平面镜、卢瑟福原子核式模型、玻尔原子模型等。另一类是表示状态和过程的模型即过程模型。如匀速(匀变速)直线运动、匀速圆周运动、抛体运动、简谐振动、对心碰撞、理想气体的变化过程(等温变化、等容变化、等压变化、绝热变化)、光的直线传播、光的反射、光的折射等。
3.物理模型的主要特点
典型性是物理模型的首要特点。物理模型是从一类物理问题中,抓住本质问题,删除干扰和次要因素,集基础知识与基本规律于一体,具有代表性的结晶。
方法性是物理模型的第二个特点。物理模型不只是知识的结晶,同时也是思维的结晶。掌握好物理模型除了加深对物理概念的理解之外,还可以从物理模型的建立,理解物理知识深刻的内涵及外延,体会运用物理知识解决实际问题的思路和逻辑方法。
二、实际问题中如何建立物理模型
1.直接建立法
直接建立法的步骤为:
①明确研究对象,抽象为理想化的对象模型。
②分析所处环境,建立正确的理想化环境,即物理环境。
③准确分析研究对象在物理环境中的运动变化,突出过程特点,抽象为理想化的过程模型。
对具体物理问题,在确立研究对象并抽象为理想化的对象模型后,应认真分析物理现象产生的物理过程、明确物理过程进行的特点、影响物理过程进行的各种因素,根据具体问题的具体要求,在突出过程特点的前提下,抓住重点,忽略次要点,把实际的物理过程抽象为理想化过程。然后按照其遵循的物理规律列出方程,问题也就迎刃而解了。
例:如图1,劲度系数为K的弹簧,一端固定于墙壁,另一端连着质量为M的物体,物体静止于光滑水平面上的O点现有一质量为m的子弹以水平速度v0射入且留在物体中,试问最少需要多长间物体又到达0点?物体的最大位移是多少?
解:开始时取子弹和物体组成的系统为研究对象,忽略子弹的转动,认为子弹射进物体的过程为平动,从而建立质点系统模型。而子弹从开始射入木块到停留在木块中这一过程时间极短,弹簧的形变微小到可以忽略,所以可认为在此过程中,沿水平方向系统所受合外力为零,系统的变化为完全非弹性碰撞,从而可建立完全非弹性碰撞过程模型。系统动量守恒,故有:mv0=(M+m)v
由此可得系统的初速度:v=■v■
又因为系统获得速度的过程短暂,它们的位移微小到可以忽略,故可认为系统虽已具有速度v,但还处在平衡位置O点处。此后,选取子弹、物体和弹簧组成的系统为研究对象,忽略弹簧质量、空气阻力和摩擦力,建立弹簧振子模型;振子从平衡位置O处以速度v向左运动的过程,满足简谐振动模型,故根据简谐振动的周期公式和机械能守恒,可得方程:
T=2π■ ■KA2=■(M+m)v2
由上式即可获知物体再次到达O点的最短时间t与物体的最大位移A分别为:
t=■=π■ A=■
在这个问题的解决中,我们先后建立了两个研究对象的物理模型(相互作用的质点系及弹簧振子)和两个运动变化的物理模型(完全非弹性碰撞及简谐振动),这些模型一建立,我们就知道用动量守恒和简谐振动公式求解,得出相应的结果,问题也就迎刃而解。
2.用类比、等效变换进行物理模型的迁移
类比、等效变换是以某种已确定的模型为基本模型,把与此形态、性质或规律类似的其他客体归纳到基本模型,用与基本模型相同或类似的研究方法来认识新客体的性质或规律,从而形成学习的正迁移。有助于学生求同思维的发展。
如用单摆振动等效类比电磁振动荡过程;将理想气体分子等效为弹性小球,并用弹性小球对器壁的碰撞去解释和推导气体压强公式;用天体系统中的行星模型类比卢瑟福原子的核式结构及玻尔原子模型,大大降低了学习难度。
三、物理模型在中学物理教学中的作用
1.物理模型可使教学重、难点“软着陆”
中学物理教材中的许多物理知识比较抽象难懂,往往不易被学生理解和接受,学生常感到问题复杂,学习起来困难。但通过采用模型方法来实施教学,突出问题的主要因素,简化次要因素,引导学生建立起清晰的物理情景,暴露物理过程,达到疏通思维渠道,使物理问题由难变易,由繁化简,起到软化教学过程的作用。
2.物理模型可促进学生能力的提高
每一个物理过程的处理,物理模型的建立,都离不开对物理问题的分析。教学中,通过对物理模型的设计思想及分析研究思路的教学,能培养学生对较复杂物理问题进行具体分析,区分主要因素和次要因素,抓住问题的本质特征,正确运用科学抽象思维的方法去处理物理问题的能力,有助于学生思维能力的提高,也有助于学生掌握物理学的研究方法。
3.物理模型还有推进中学物理教学过程中辩证唯物主义思想教育的作用
物理学中每一个物理模型的建立与发展都蕴藏着丰富的哲学内涵,它是我们在教学过程中对学生实施辩证唯物主义教育的好教材,应充分给予挖掘。如在光的本质教学中,通过光的波粒二象性模型说明矛盾着的两个方面即对立又统一;在对原子结构模型的发展变化的讲解中,引导学生去理解真理发展的辩证关系,即真理是客观的,同时又是相对的,使学生认识到人类对客观世界的认识具有历史局限性,从而帮助学生树立起正确的辩证唯物主义的方法观。
这就要求我们在平时的教学中,不仅要让学生掌握基本概念、规律的内涵外延,还要引导学生重视它们是如何分析判断、抽象得出的,培养学生的科学方法技能,教会学生善于从新材料中提出信息,学会如何思考加工处理,构建模型,实现已有知识和技能的迁移,培养学生的创新思维能力。
(责任编辑:张华伟)