陳劍剛

一、物理模型的概述

物理模型是理論知識(shí)的一種初級(jí)形式，就是將我們研究的物理對(duì)象或物理過(guò)程、情境通過(guò)抽象、理想化、簡(jiǎn)化、和類比等方法，進(jìn)行“去次取主”、“化繁為簡(jiǎn)”的處理，把反應(yīng)研究對(duì)象的本質(zhì)特征抽象出來(lái)，構(gòu)成一個(gè)概念或?qū)嵨锏捏w系，就形成物理模型。物理模型既源于實(shí)踐，而又高于實(shí)踐，在我們的生活、生產(chǎn)、科技領(lǐng)域中帶有普遍的共性特征，具有一定的抽象概括性。物理模型的構(gòu)建是一種重要的科學(xué)思維方法，通過(guò)對(duì)物理現(xiàn)象或過(guò)程，從而尋找出反映物理現(xiàn)象或物理過(guò)程的內(nèi)在本質(zhì)及內(nèi)在規(guī)律達(dá)到認(rèn)識(shí)問(wèn)題的目的。

物理模型的構(gòu)建是建立在建構(gòu)主義的基石上的。建構(gòu)主義對(duì)學(xué)習(xí)的解釋主要有以下幾點(diǎn)：1、學(xué)習(xí)是一種建構(gòu)的過(guò)程。知識(shí)來(lái)之于人們與環(huán)境的交互過(guò)程中。學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)新的知識(shí)單元時(shí)，不是通過(guò)教師的傳授而獲得知識(shí)，而是通過(guò)個(gè)體對(duì)知識(shí)單元的經(jīng)驗(yàn)解釋從而將知識(shí)變成了自己的內(nèi)部表述。因此，教學(xué)的目標(biāo)是使學(xué)生形成對(duì)知識(shí)的深刻理解，即“為理解而學(xué)習(xí)”。2、學(xué)習(xí)是一種活動(dòng)的過(guò)程。學(xué)習(xí)過(guò)程并非是一種機(jī)械的接受過(guò)程，在知識(shí)的傳遞過(guò)程中，學(xué)習(xí)者是一個(gè)極活躍的因素。教學(xué)的過(guò)程就是引導(dǎo)學(xué)生的高級(jí)思維活動(dòng)來(lái)解決問(wèn)題的過(guò)程，即“通過(guò)問(wèn)題解決來(lái)學(xué)習(xí)”。

二、構(gòu)建物理模型的作用

1.物理模型是物理規(guī)律和理論賴以建立的基礎(chǔ)

物理學(xué)的目的是探索自然界廣泛存在的各種最基本的運(yùn)動(dòng)形態(tài)、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其相互作用，為自然界物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)及相互作用提供一幅絢麗多彩、結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膱D畫，以便人們認(rèn)識(shí)世界和改造世界。要達(dá)到這樣的目的，必須得出反映物理現(xiàn)象、物理過(guò)程在一定條件下必然發(fā)生、發(fā)展和變化的規(guī)律，揭示物理事物本質(zhì)屬性之間的聯(lián)系，此即物理規(guī)律，并要求在此基礎(chǔ)上形成系統(tǒng)的、自洽的、嚴(yán)密的物理理論。而由于自然界物質(zhì)的復(fù)雜性和多樣性，完全按照物理客體的本來(lái)面目進(jìn)行研究，問(wèn)題將變得很復(fù)雜，很難得出定量的物理規(guī)律和系統(tǒng)的物理理論，這就要求我們對(duì)其進(jìn)行抽象，得出反映物理客體本質(zhì)屬性的物理模型。

法拉第在1852年，對(duì)帶電體、磁體周圍空間存在的物質(zhì)，設(shè)想出電場(chǎng)線、磁場(chǎng)線一類力線的模型，并用鐵粉顯示了磁棒周圍的磁力線分布形狀，從而建立了場(chǎng)的概念，對(duì)當(dāng)前的傳統(tǒng)觀念是一個(gè)重大的突破。1905年愛(ài)因斯坦受普朗克量子假設(shè)的啟發(fā)，大膽地建立了光子模型，并提出著名的愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，圓滿地解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象。盧瑟福以特有的洞察力和直覺(jué)，抓住α粒子轟擊金箔有大角度偏轉(zhuǎn)這一反常現(xiàn)象，從原子內(nèi)存在強(qiáng)電場(chǎng)的思想出發(fā)，于1911年構(gòu)思出原子的核式結(jié)構(gòu)模型。“哈勃定律”所反映的大爆炸宇宙模型，指出了我們周圍的宇宙并不是靜態(tài)的、恒定的、而是動(dòng)態(tài)的、膨脹的。從而沖破了傳統(tǒng)觀念的束縛，為研究宇宙的起源和演化掃清了道路。

2.利用物理模型可解釋物理現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)定律

利用物理模型，可得出一些是實(shí)驗(yàn)事實(shí)相符合的理論結(jié)果，從而解釋物理現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)定律。例如愛(ài)因斯坦建立光的波粒二象性模型來(lái)解釋光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)事實(shí)。光電效應(yīng)是當(dāng)光照射到金屬上時(shí)，有電子從金屬中逸出。這種電子稱為光電子。實(shí)驗(yàn)證明，只有當(dāng)光的頻率大于一定值時(shí)，才有光電子發(fā)射出來(lái)；如果光的頻率低于這個(gè)值，則不論光的強(qiáng)度多大，照射時(shí)間多長(zhǎng)，都沒(méi)有光電子產(chǎn)生；光電子能量只與光的頻率有關(guān)，而與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，光的頻率越高，光電子的能量就越大；光的強(qiáng)度只影響光電子的數(shù)目，強(qiáng)度增大，光電子的數(shù)目就增多。按照愛(ài)因斯坦光的波、粒二象性模型，當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，能量為hγ的光子被電子吸收。電子把這個(gè)能量的一部分用來(lái)克服金屬表面對(duì)它的吸引力做功（逸出功），另一部分就是電子離開(kāi)金屬表面后的動(dòng)能。這個(gè)能量關(guān)系可寫為。這樣就利用愛(ài)因斯坦光的波粒二象性對(duì)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出了完美的解釋。

3.利用物理模型可作出科學(xué)的預(yù)言

作為對(duì)物理事物簡(jiǎn)化描述的物理模型，不僅能夠解釋物理現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)定律，而且也常常能夠作出科學(xué)的預(yù)言，指明進(jìn)一步研究的方向。

教學(xué)中物理模型的構(gòu)建實(shí)質(zhì)上就是培養(yǎng)物理的創(chuàng)造性思維。

三、在高中物理教學(xué)中如何建模？

在研究物理問(wèn)題當(dāng)中，將物理對(duì)象、物理過(guò)程或物理情境處理成簡(jiǎn)單的模型后進(jìn)行分析與計(jì)算十分常見(jiàn)。

1.對(duì)物理概念建模

物理概念是客觀事物的物理共同屬性和本質(zhì)特征在人們頭腦中的反映，是物理事物的抽象，是觀察、實(shí)驗(yàn)和物理思維的產(chǎn)物。任何物理概念的形成都離不開(kāi)物理思維。

2.對(duì)物理過(guò)程建模

在中學(xué)物理中建立的理想化的物理過(guò)程有勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻變速直線運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧波、絕熱過(guò)程等。它們從不同的側(cè)面和角度描述和揭示了各種問(wèn)題中實(shí)際過(guò)程的特征，也標(biāo)志著物理學(xué)研究的深化。

3.對(duì)物理情境建模

“情境”教學(xué)是建構(gòu)主義當(dāng)然也是物理教學(xué)中特別提倡的，讓學(xué)生在情境中，能給枯燥的學(xué)習(xí)生活帶來(lái)活力，尤其是從學(xué)生喜聞樂(lè)見(jiàn)的生活實(shí)際出發(fā)，以圖畫、情境、過(guò)程展現(xiàn)出來(lái)，使學(xué)生親身體驗(yàn)物理就在生活當(dāng)中，物理就在我們身邊，給學(xué)生提供充分動(dòng)手操作，自主探索和交流的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生主動(dòng)研究充滿物理規(guī)律的實(shí)際問(wèn)題，思維能力，情感態(tài)度等方面都得到進(jìn)步。在創(chuàng)設(shè)情境中要注意情境的生活化、現(xiàn)實(shí)性。

4.對(duì)物理實(shí)驗(yàn)建模

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，真實(shí)實(shí)驗(yàn)是一種可實(shí)現(xiàn)的、科學(xué)的實(shí)踐活動(dòng)，其目的在于獲得物理思維的材料，檢驗(yàn)物理理論或假說(shuō)是否正確；理想實(shí)驗(yàn)也叫“假想實(shí)驗(yàn)”，是人們?cè)谡鎸?shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在理想或極端條件下，充分發(fā)揮想象力，利用邏輯推理又輔助以形象變換的思維過(guò)程。是物理學(xué)家源于自身經(jīng)驗(yàn)而又超出自身經(jīng)驗(yàn)的一種高級(jí)思維活動(dòng)，它以實(shí)踐為基礎(chǔ)，是在科學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)際研究過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行辯證的、深入的、十分抽象的思維。根據(jù)理想實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)某種看法或斷言作出檢驗(yàn)或評(píng)判，有時(shí)還能得出一些新的物理規(guī)律，而不必顧慮技術(shù)上的困難。