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物理教学要渗透模型意识
作者:于正和 文章来源:本站原创  更新时间:2005-12-20 8:53:32

一、问题的提出
    物理学是研究物理现象及其变化规律的科学.一种重要的研究方法就是把研究对象抽象成某种理想模型,然后研究理想模型的运动变化规律.为什么不把实际的客体直接作为研究对象?物理模型具有哪些特点?如何运用模型进行研究?摘清楚这些问题,对物理教学和物理学习都大有益处.
二、理想模型的建立。
    在物理学的研究中,为研究问题的方便,或为取得精确的数量关系,往往要把研究对象的物理过程简化,简化就运用了抽象法;在分析原型特征的基础上,根据研究问题 的需要,把原形中的主要特征保留下来,而舍去次要特征,使原型简化、纯化到理想程 度,即简化成一理想模型,然后用它代替原型进行研究,这一过程下图所示。
 

    物理学中有许多理想模型,如质点、绝缘体、绝热过程等,值得注意的是,建立模型时要依据研究目的及性质来区分原型中哪些是主要特征,哪些是次要特征,一般,对 所研究的问题起决定作用的特征就是要保留的主要特征,反之,不起作用或起次要作用 的就是要精简或忽略的特征,例如当研究物体的平动时,物体的形状、大小对运动的描述无关紧要,故把物体简化为一个只有质量的点,然而当研究物体所受浮力时,其形状 及大小就不可忽略,不能视物体为质点,所以具体情况要作具体分析
    研究任何物理现象,都应分清主要因素和次要因素.例如:电学中研究带电体之间的相互作用力,它与带电体的电荷多少,带电体的形状大小,带电体之间的相对位置及介质等多种因素有关,情况是复杂的.若不分轻重地考虑各种因素,非但不能得出精确结果,反之还会对复杂现象的研究感到束手无策.通过不断探索,科学家创立了有效的模型方法:突出对所要研究问题起主要作用的因素,略去次要因素,构建了许多合理的"理想模型",有效地解决了对复杂问题的研究.就带电体间的相互作用而言,实验表明:在真空中,随着带电体之间距离的增大',它们的形状、大小的影响逐渐减小,当远到一定程度时,起决定作用的就是带电体的电荷量,其形状、大小都是无关紧要的,可忽略不计,于是建立了"点电荷"模型,库仑定律反映的就是两个点电荷之间的相互作用规律.而实际问题中的带电体能否看作点电荷,需视具体情况而定.对一般的带电体而言,可看作无数点电荷的集合体,借助叠加原理,根据库仑定律原则上可求出任意带电体之间的相互作用力.可见,没有"点电荷"这个理想模型的建立,就无法计算出带电体之间的相互作用力.也可以这样说,离开物理模型,就无法进行物理学的研究.
三、如何对待模型
    学习物理必然要和模型打交道,因此对模型要有一个正确认识.一个简明的理想模型的建立并非易事,需对客观实际进行全面的科学分析,随着认识的深化,模型会不断地修正、充实和发展,甚至板推翻而另建立模型.'如原子模型的建立:电子的发现;汤姆生提出了枣糕式原子模型;。粒子散射实验的结果否定了汤姆生原子模型;卢瑟福提出了核式结构原子模型;卢瑟福模型与经典电磁理论的矛盾;玻尔模型(经典理论基础上加量子化的模型);玻尔理论的局限性;建立在量子理论基础上的原子模型(选学),中学物理中,玻尔模型作为认识原子结构的重点.当然,理想模型是否反映客观实际,还需要经受科学实验的检验.物理课本中保留下来的理想模型都经受了实践的检验,得到了大家的公认.中学物理中各个部分遇到的模型主要有:力学中:质点、弹簧振子、单摆等, 热学中:理想气体等. 电磁学中:点电荷、理想导体、绝缘体等. 光学中:点光源、薄透镜、狭缝、薄膜等; 原子物理中:光子、自由电子等.和物理模型打交道,必须了解模型的一些特点.
    1.一物可以有多种模型
    每个物体有许多特性,"如形"状、大小、质量、温度、导电性能等.从不同角度看,起主要作用的因素会不一样,同一物体当然就被抽象成不同模型.譬如地球,当研究它的轨道运动时可以视为质点.研究静电问题时,地球常被当作一个球形导体一由于我们面对的物质世界千姿百态,变化多端,因而从不同侧面研究不同的物理现象,对研究对象将采用不同的模型.物质世界不存在统一模型· .
    2.模型是相对的
    模型突出了物体某一方面的主要特征,是否"主要"只能通过比较才能认定.情况不同,主次因素可能换位,模型就要相应变换,不问条件,认定一个模型处理问题,常常会导致详谬。
四、要树立模型意识
    研究物理问题离不开模型,是否能熟练地建立和运用模型来处理具体问题,仍是教学和学习中的一个重要任务.只有加强模型意识,领会物理学研究问题的思维方法,才能使学生做到学有所获。
    1.弄清模型的内函
    接触一个模型首先要弄明白它是针对什么现象提出来的?研究的是什么问题?突出了哪些主要因素,又忽略了哪些次要因素,力求把握模型的隐含条件.例如: "点电荷"忽了带电体的形状,突出了带电体的电量和空间位置,即不追究电荷是如何分布在带电体上的细节问题.因而把本来复杂的问题简化了。"弹簧振子"突出振动系统的两个主要因素,即惯性和弹性,把惯性集中在振子上,把弹性集中在不计质量的轻弹簧上,简化了振动现象的分析.
    2.公式要和模型配套
    物理定律或定理都是运用某一特定模型,通过实验而总结归纳出来地,应用它时,必须明确研究对象是否符合定律所要求的模型条件.例如:牛顿运动定律只适用于质点,如果被研究的对象在研究的问题中不能作为质点对待,就不能直接应用牛顿定律处理;库仑定律适用于点电荷,对具体问题中不能视为点电荷的带电体,也就不能直接应用库仑定律来处理.忽视这一点,定律和模型不相适用,盲目应用,将导致错误。
    3.自觉选用模型
    我们平常讨论一个问题或计算、道习题,好像没有提到模型的问题,其实不然,而是使用了模型,只不过是自觉或不自觉地套用了惯用的模型.例如:在讨论机械运动时,物体通常可当作质点来处理;热学中谈到气件就当作理想气体处理等.自觉地选用模型,对培养分析问题、解决问题的能力大有益处.所以,特别是在课堂教学中,教师要引导学生进行这方面的尝试,即视具体情况,作具体分析,自觉选用合适的模型研究问题,使学生养成良好的'学习习惯.
    总之,事物干差万别,各门学科的研究、学习都有着各自独特的方法.物理课堂教学不能只满足于知识的传授,让学生记住定律,背出公式,会做习题就行了,而应立足于物理思想方法进行物理教学,在课堂教学中进行方法论的渗透,这对学生提高获取知识的能力会大有帮助,使学生终身受益,因此应予以足够的重视。
 

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