姚月品江苏省新沂市第二中学
【摘要】物理学知识及物理学的思想、方法对学生解决生产生活学习中的实际问题都有帮助。学好物理是学生、家长和社会的共识与要求。本文从物理模型在物理研究和物理教学中的作用、中学物理常见模型的种类、利用物理模型进行教学提高课堂教学有效性，以及在教学中培养学生形成利用模型分析法解决物理问题的创新能力等方面，阐述模型分析法在中学物理教学中的重要作用。
【关键词】物理模型分析提高教学有效性培养能力
【中图分类号】G632【文献标识码】A【文章编号】1674－4810（2010）10－0113－03
物理学在我国成为一门法定的中学课程始于1902年，这对我国近现代“科技兴国”思想的形成起着积极的推动作用。作为科学课程中的基础学科，中学物理教学对培养创新能力有着重要的意义，学生在获取物理知识的同时更能体验物理学家的研究过程、思想方法，从而在学习以及以后的工作中运用物理学的有关思想方法解决实际问题。因此，学好物理是许多学生及其家长的共识，也是社会创新发展的需要。
在学习物理、解决物理问题的过程中，领会研究问题的方法十分重要。如果学生能理解物理研究问题的方法并加以应用，那么学习物理中的畏难情绪就能得到有效化解，学习也必将取得事半功倍。利用“物理模型”进行教学，尤其是进行习题教学，是培养学生领会掌握物理学研究问题方法、提高学生能力的有效途径之一。
一物理模型在物理研究和物理教学中的作用
首先，构建模型是物理学研究的一种主要的方法，在物理学发展中起着重要的作用，物理学家从事研究工作的过程中，建立物理模型是至关重要的步骤之一。例如，伽利略构建了光滑斜面这一理想化的模型，才有惯性定律的重大发现；法拉第在1852年研究带电体、磁体周围空间存在的物质时，设想出电场线、磁感线一类的力线模型，从而建立了场的概念，对当时的传统观念是一个重大的突破；1905年爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，大胆地建立了光子模型，并提出著名的爱因斯坦光电效应方程，
圆满地解释了光电效应现象；卢瑟福以特有的洞察力和直觉，抓住α粒子轰击金箔时出现大角度偏转这一反常现象，于1911年构思出原子的核式结构模型，人类从此对微观世界有了更进一步的认识。
可以说，倘若离开了物理模型的构建，物理研究将无法进行，物理学将无法向纵深发展。
其次，自然界事物之间存在着千丝万缕的联系，并处在不断的运动变化之中。这种联系和变化反映在物体的运动上，就是物体实际所做的运动受许多偶然因素影响，从而导致物理学研究的复杂性。例如，物体实际发生的机械运动往往非常复杂，不可能是单纯的匀速运动、圆周运动等。研究机械运动时，人们不可能对每一个事物的每一个运动都进行细致的研究，而是遵循“从简到繁，先易后难，先局部后整体”这样一条重要的方法论原则，把复杂的问题转化成相对简单的问题，或者把复杂的问题分解成若干个比较简单的问题。在转化时，采取先忽略某些次要因素，把实际问题理想化的办法，用几个有限的物理模型去解决众多的实际问题，这就是构建模型的过程。如研究机械运动时引入质点模型和匀变速直线运动、匀速圆周运动、简谐运动等理想化的运动模型。
再次，物理模型的建立是一个创造性过程，对物理模型的认识和理解也是一个创造性的过程，它能激发学生创新能力的形成。在落实新课程改革精神、深化素质教育的今天，通过物理教学引导学生真正认识和理解物理模型，甚至尝试构建“物理模型”，是培养学生创造性思维和提高创新能力不可多得的途径，有着重要的教育意义。
老师要在平时教学中自觉地落实物理学的教育功能，不断地强化学生这些认识，促进学生建模思想的形成。
二中学物理常见模型的种类
物理模型是抽象性和形象性的统一。物理模型的建立是舍弃次要因素，把握主要因素，化复杂为简单，完成由现象到本质、由具体到抽象的过程，而模型本身又具有直观形象的特点。中学物理中常见的物理模型可归纳为如下几种：
实物模型：如质点、单摆、理想变压器、点电荷、（伽利略的）理想斜面、理想电压表等，用于建立概念，或者完成思维实验。
过程模型：如匀变速直线运动、简谐运动、天体运动、类平抛运动、等温变化等，用于分析物理事件发生的过程，建立物理情景。
结构模型：如分子电流、原子核式结构、电场线、磁感线等，用于对某些抽象事物的形象化描述。
问题模型：如“子弹打木块”、“碰撞”等，以问题为核心，形成一种解决问题的方法。
三充分利用物理模型进行教学，提高教学的有效性
物理模型是对实际问题进行科学抽象建立起来的，能形象、直观、生动、深刻地反映出事物的本质和共性。通过建立模型分析问题，可以使问题大为简化。而对模型讨论的结果稍加修正，又可用于实际事物的分析和研究。教学中，教师通过物理模型的构件分析，引导学生认识到正确建立和使用物理模型，可以提高理解和接受新知识的能力，促使学生调动已有的知识和经验去解决新的问题，从而形成创新能力，实现知识的正向迁移。
例如，我们在运动学中建立了“质点”模型，学生对这一模型有了充分的认识和足够的理解，为以后学习电学中的“点电荷”模型、光学中的“点光源”模型等奠定了良好的基础，使学生学习这些新知识时容易理解和接受。
在“带电粒子在电场中的偏转”教学时，先带领学生回顾“平抛运动”的相关知识，再引导学生对电荷以垂直于电场方向进入匀强电场后受力和初速度方向的分析。学生通过比较，容易找出二者的共性，从而形成“类平抛运动”的概念，进而把“平抛运动”作为模型，运用运动的合成与分解思想方法解决电荷在电场中偏转的各种问题。
正确建立和使用物理模型还有利于帮助学生将复杂问题简单化、明了化，使抽象的物理问题更直观、具体、形象，可以把复杂隐含的问题化繁为简、化难为易，对学生的思维发展和解题能力的提高起着重要的作用。
【题1】如图1所示，把系在轻绳上的A、B两小球由图示位置同时由静止释放（绳开始时被拉直），则在两小球向左下摆动时，下列说法正确的是（）。
A．绳OA对A球做正功B．绳AB对B球不做功
C．绳AB对A球做负功D．绳AB对B球做正功
分析：学生对该题往往不知如何下手。如果问学生，读完题后想到了哪一个熟悉模型的运动，多数学生会说“单摆的摆动”。接着再问：如果把A、B两球分别看成独立的单摆，其运动有什么不同？A、B两球用线连在一.
【题2】如图2，一半径为R的绝缘圆形轨道竖直放置，圆轨道最低点与一条水平轨道相连，轨道都是光滑的。轨道所在空间存在水平向右的匀强电场，场强为E。从水平轨道上的A点由静止释放一质量为m的带正电的小球，为使小球刚好在圆轨道内做圆周运动，求释放点A距圆轨道最低点B的距离S。已知小球受到的电场力大小等于小球重力的3/4倍。
分析：解决本题有两个难点，一是确定“小球刚好在圆轨道内做圆周运动”条件，另一个是确定电场力、重力做功中的位移。如果学生注意到小球受到的电场力和重力的合力恒定，并再现出重力场中小球在竖直光滑圆轨道内侧的运动模型，用等效的观点就能确定小球在圆轨道内运动的临界条件（找到等效场中圆轨道的“最高点”，小球通过该点时所需要的向心力全部由电场力和重力的合力提供），突破第一个难点，再结合几何知识就化解了第二个难点。关键是领会两个情景下小球受力的共性，由此决定运动的共性。
四在教学中培养学生利用构建模型解决物理问题的能力
学生能否在实际问题或新的情景中借助物理模型进行分析，决定着学生能否解决所遇到的问题。培养学生的利用模型解题能力，可以通过以下方法实现：
1．平时教学中重视对模型的归纳
物理学在发展过程中形成了许多经典的模型。教师在课堂上要结合“过程与方法”和“情感与价值观”教学目标的落实，有意识地加强有关物理模型的建立过程及其重要意义的教学，切不可一带而过。例如在牛顿运动定律教学中的伽利略理想斜面的思维实验；在电场教学中的法拉第提出“场”的概念和用“力线”形象描述场的特征等。这样做既活跃了课堂气氛，增加了学生学习物理的兴趣，又让学生认识到建立物理模型的重要作用，对学生起到潜移默化的影响。
另一方面，教师在例题、习题教学中，对一些具有代表性的过程和问题，要引导学生进行归纳、提炼、拓展。例如，通过分析子弹打穿木块过程，归纳出一对相互作用的滑动摩擦力做功中能量转化的特征，提炼出“子弹木块”模型，并向题3、题4类问题拓展，达到做会一题而会做一类题的目的。
【题3】质量为M的木板放在光滑的水平地面上，在其右端放一质量为m（m＜M）的小木块。现以地面为参考系，给木块和木板大小为v方向相反的初速度，使木块向左、木板向右同时开始运动，最后木块没有滑离木板。若木块与木板间滑动摩擦因数为μ，求：（1）共同运动的速度；（2）木板的最小长度。
【题4】水平面上两根足够长的光滑平行金属导轨，处在竖直向上的匀强磁场中，质量均为m的导电杆ab、cd静止在导轨上，如图3所示。现给ab杆一个向右的初速V0。问：cd杆最终速度是多少？方向如何？整个过程中感生电流产生的热量为多少？
2．借用经典模型分析实际问题
物理模型是科学性和假定性的辩证统一，物理模型不仅再现了过去已经感知过的直观形象，而且要以先前获得的科学知识为依据，经过判断、推理等一系列逻辑论证，所以具有一定的科学性。同时，物理模型来源于现实，又高于现实，是抽象思维的结果。
中学物理在长期的教学实践中形成了一些经典模型，对解决实际问题很有帮助。
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【题5】如图4所示，一轻弹簧竖直固定在地面上，有一质量为m的小球从离弹簧上端高h处自由落下将弹簧压缩，在最低点加速度大小为a，则（）。
A．a＞gB．a＜gC．a＝gD．无法确定
分析：小球的实际运动是加速度变化的变速运动，到最低点时，弹簧形变量最大，容易得出此时小球具有向上的加速度，但加速度a的大小与重力加速度g的比较，用一般办法难以进行。通过引导，学生能联系到竖直方向振动的弹簧振子这一经典振动模型。由对称性可知，小球在最低点的加速度与在最高点的加速度大小相等。如果设想小球与弹簧接触后即与弹簧粘在一起，则只要分析出小球上升到“虚拟最高点”时，弹簧处于伸长状态（状态及过程如图5分析所示），得出此时小球受到弹力方向向下，就能得出正确结果。
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再如，近年来，高考物理对实验考查趋向于设计性实验，即根据课标所给出的实验的原理，在给定备选器材的情况下完成实验任务。这类实验题与直接考查课本上原汁原味的实验不同，要求学生在确定实验目的后，能筛选适当的实验原理，并根据实验原理选择实验器材，完成实验。
【题6】为较准确地测量某只电压表的内阻，现提供以下器材：①电压表V1（量程6V，内阻约30kΩ）；②电压表V2（量程3V，内阻约3kΩ）；③电池（电动势6V，内阻不计）；④定值电阻R1＝3kΩ；⑤滑动变阻器R2（最大阻值为20Ω）；⑥电键S一个，导线若干。
（1）在所给的两只电压表中，能较准确地测量出哪一只电压表的内阻？
（2）根据你的选择，请画出实验电路的原理图（表明所用器材的符号）。
解题思路分析：要测量电阻，应首先回想我们有哪些方法。课标中涉及到中学测量电阻的经典方法有三个：伏安法测电阻、半偏法测电阻、用欧姆表测电阻；其次本题没提供欧姆表，也没有变化中阻值已知的变阻箱，因此只能考虑伏安法；第三，伏安法测电阻需要电压表和电流表作为测量工具，本题被测电阻是电压表，能显示自身两端的电压，但没有显示通过待测电压表电流的仪表；第四，由串联电路电流相等的特点，可用与待测电压表串联的电路元件中的电流表示通过电压表的电流，这用定值电阻和另一只电压表可以实现。然后再根据所给器材的规格，考虑实验的安全性和准确性，就可解决问题。
3．引入创新思维，将陌生的物理场景整合后类比等效成熟悉的模型
【题7】将电阻为r导线弯成边长为L的正方形单匝导线框，线框水平放置在均匀分布、方向竖直向上、磁感应强度的大小按B＝B0sinωt规律变化的磁场中，外接一阻值为R的电阻，求R两端的电压和R消耗的电功率。
分析：本题导体框相当于电源，在穿过导体框的磁通量按正弦规律变化时产生的感生电动势，可类比成导体框在匀强磁场中匀速转动时产生的动生电动势，从而得出电路中产生正弦式交变电流，其有效值是最大值的0.707倍。电阻R为外电路，运用闭合电路欧姆定律即可求出R两端的电压（有效值），进而求出R消耗的电功率。
【题8】如图6所示，在光滑的水平面上静止着两小车A和B，在A车上固定着强磁铁，总质量为5kg，B车上固定着一个闭合的螺线管，B车的总质量为10kg。现给B车一个大小为20m/s水平向左的初速度，若两车在运动过程中不发生直接碰撞，则相互作用过程中产生的热量是多少？
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分析：学生读完题后，可能会因为没有相关的物理情景储备而找不到解题的规律。根据楞次定律和法拉第电磁感应定律可知，两小车相对遇到时，闭合螺线管中产生感应电流，螺线管和磁铁间存在相互的作用力，阻碍相对运动，使两车速度趋于相等。这一过程与子弹打进木块最终共同运动相似。因此，可以用完全非弹性碰撞模型分析两小车组成系统的动量转化，再利用子弹木块模型得出系统机械能的减少量。螺线管中的电流由于热效应而将电能转化为热量，由能量转化和守恒定律求出产生的热量等于系统减少的机械能。
借助物理模型进行教学，突出了物理问题的主干，疏通了学生的思路，学生容易建立起清晰直观的物理情景，把问题化繁为简、化难为易。这样不仅起到降低教学难度，增强学生学好物理的自信心的作用，更重要的是建模思想对学生起到了潜移默化的影响。这种影响体现在学生学习物理过程中，能自觉运用模型分析法对较复杂的物理问题进行具体分析，抓住问题的本质特征，借助或构建出适当的物理模型，解决遇到的新问题。
总之，利用模型分析法进行物理教学，尤其是进行物理习题教学，是培养学生物理思想和方法的很好平台。教师在教学中要以构建物理模型为抓手，用足用活物理模型，给学生营造出一个体现物理课程特征的学习情境，让学生在分析问题时有法可循、有据可依，逐步达到“分析一个典型例题，形成一个物理模型，解决一类相通问题”的目的。使其跳出题海，走出“物理难学”的困惑，从而实现“教是为了不教”，真正提高物理课堂教学的有效性，不断培养学生解题能力和创新能力。这样，中学物理教育的目的才能得到实现，中学物理教师才能有成就感。
参考文献
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