例谈物理模型在中学物理教学中的运用

焦阳天

在中学物理教学过程中，学生对物理概念、物理规律和物理公式记得很熟，但在具体运用时，却整理不清楚解题的思路，感觉到无从下手。究其原因：主要是不会把一个实际的复杂的问题简化成能反映问题本质的简单的物理模型。物理模型在对物理客体进行分析和研究时往往能收到很好的效果。那么在学习物理的过程中怎样建立一个物理模型呢？它是不是一个很复杂的过程呢？

其实跟物理学发展过程中一样，在物理学习中建立物理模型是将研究的物理对象或物理过程通过抽象、理想化、简化、类比等形成物理模型。通过物理现象或物理过程进行去粗取精、去伪存真的处理，找出反映物理现象或物理过程的内在本质及内在规律，使问题的处理大为简化。下面就具体分析怎样在中学物理教学中构建物理模型。

一、理解概念规律，构建物理模型

物理模型是物理规律和物理理论赖以建立的基础，物理模型方法是物理学家研究自然界最基本的方法。理解掌握物理概念和规律，抓住问题的本质，便可以建立符合实际的物理模型。

例1：冬天我们哈气，嘴里会冒“白气”，夏天打开冰箱门，我们也常看到“白气”，这是为什么呢？很明显，这里物理研究对象是“白气”，考查对物态变化这一规律的理解，抓住“白气”的实质是极小的液态小水滴，前者是嘴里水蒸气，后者是空气中的水蒸气遇冷液化形成。

例2：2012年5月，日本科学家开发出制作单层硅分子薄膜技术，如图所示：在硅板表面覆盖陶瓷薄层，持续加热一段时间后，硅板中的硅分子居然能穿透陶瓷薄层从而形成单层硅分子薄膜。加热使得硅分子穿透陶瓷薄膜，这说明了什么？此题背景是当前新材料领域的科技知识，对初中同学而言较陌生，但并不难想出此时结合“分子动理论”模型，找到问题答案，说明分子之间有空隙，分子在做永不停息的运动。

二、通过联想、类比、构建物理模型

在中学物理中有许多的物理模型，关于它们的题目不少，但有些学生在遇到这类问题时，往往发现不了它们原有的模型，陷入解题的误区中。遇到这类问题，我们应该从复杂的物理现象中抓住问题本质，用联想和类比的方法，将题中所给的情景与熟悉的相比较建立其模型。

例3：人造卫星沿椭圆轨道绕地球运行，卫星从远地点向近地点运动的过程中，动能、势能、机械能如何变化？如题，月球绕地球公转过程中，若学生没有很多的地理知识，根本不知道月球在远地点和近地点时速度变化的情况，很难直接给出结果。这时我们可以通过联想、类比，结合单摆模型，梳理问题的实质是动能和势能间的相互转化，在没有阻力情况的下，机械能总量保持不变，卫星在远地点势能最大，动能最小，正如单摆模型中小球在最高点时重力势能最大，动能最小。

再如学习电流和电压时，通过联想和类比，把电压看成水压，把电流看成水流，正是有了水压，因此才产生了水流，水压越大水流也越大，水流流过水轮机使水轮机转动。电学中，电压正是产生电流的原因，电阻一定时，电压越大，电流也越大，电流经过小灯泡，小灯泡就会发光。建立和正确使用物理模型可以提高学生理解和接受新知识的能力。

可见，无论是在利用物理模型解决实际问题还是在学习物理概念时，都可以采取联想、类比的思维，建立熟悉的相似的模型，运用所学知识解决实际问题，只有这样才能在解决问题时得心应手，游刃有余。

三、发掘有用信息、抓住主要矛盾，构建物理模型

例4：如图所示，形状规则、密度均匀的木板AB放在水平桌面上，OA=2OB，当B端挂30N的重物G时，木板A端刚刚开始翘起，木板重为多少？显然，在解决本题时，应构建杠杆平衡条件的基础物理模型，支点和力臂不难寻找，但仅仅这样还是不够，若把重物对木板的拉力看成是动力，则阻力什么呢？此时我们还需要把形状规则、密度均匀的木板构建成一个重力集中在木板AB中点的一个轻质杠杆模型，然后利用杠杆平衡条件解决问题。

对于同一研究对象，使用合适的物理模型来解决，可以使问题的处理过程大为简化，但同一研究对象在不同研究问题时，还应注意条件的变化。例如在研究地球绕太阳公转的时候，由于地球的大小相对于太阳到地球的距离要小得多，可以把地球看成质点，研究地球公转速度、周期等问题，突出它所处的位置和质量特性。但在研究地球自转时，地球的形状、大小就不可以忽略。

由上面的几个例子看来，在教学中物理模型的建立并非是一件复杂的事，只要我们能熟练地运用我们所学的基础知识和基本技能，研究并提炼题目所给的背景材料，抓住其中的主要因素，忽略次要因素，把复杂的问题进行必要的抽象、联想、类比，就可以将问题转化为合理的、熟悉的、理想化的物理模型。

当然，正如人们发现原子“原子核式结构”模型历程一样，随着人们对自然界认识的不断提高，物理模型相应地由初级向高级不断地发展和完善。在中学物理教学过程中，教师要正确运用物理模型，充分发挥物理模型在教学中的作用，才能提高教学效率，实施素质教育。