物理科组刘新平

摘要：在全国各地历年的高考试题命题中，物理模型一直是一个重要亮点：各地的高考命题都非常注重物理知识与生产实际的联系，通过对一些实际问题的分析，建立物理模型，引导学生关注STSE（科学 技术 社会 环境），重视物理规律模型的灵活应用。

关键词：高考物理模型物理教学

忽略次要因素，抓住主要因素，从而突出客观事物的本质特征，这就叫构建物理模型。它的构建可以帮助我们直观具体地分析问题，从而达到正确解决所研究问题的目的。通过审题，我们了解清楚物理现象，接着就是建立物理模型和应用物理模型的过程.这一步是将实际问题转化为物理问题的过程，是决定问题能否解决的关键.不少学生害怕解物理题，特别是理论联系实际、综合性较强的题型。其根本原因是不会建立物理模型、更谈不上应用物理模型，即缺少用模型的思想来思考问题的习惯.建模与用模不仅是学生综合能力的体现，它包括分析、抽象、概括等多种能力，更是学生创造能力的体现，对模型的建立、理解与应用都是一个创造性的过程。

一.建立模型的三种基本方法

建立模型要采用一定的方式、方法，恰当的方法将收到事半功倍的效果。一般来讲物理模型的建立，有假说、抽象、构造、理想化、微元、叠加等方法.但从实际的解题来讲，高中阶段主要掌握三种基本建模方法.

1、近似法。近似法也就是理想化方法，近似是建立物理模型最基本的方法，它是抓住物理现象的主要因素，忽略次要因素，即将其理想化．在取近似的过程中，除了问题中明确可以作近似处理的因素外，常常还有一些因素需要解题者自已进行分析、判断。

如题1：（2011北京卷）“蹦极”就是跳跃者把一端固定的长弹性绳绑在踝关节等处，从几十米高处跳下的一种极限运动。某人做蹦极运动，所受绳子拉力F的大小随时间t变化的情况如图所示。将蹦极过程近似为在竖直方向的运动，重力加速度为g。据图可知，此人在蹦极过程中最大加速度约为
A．g B．2g
C．3g D．4g

此题是抓住物理现象中的主要因素，忽略次要因素，把实际问题进行了理想化,把蹦极近似成在竖直方向上的运动。

2、简化法。在解题中，我们会遇到许多问题，初看起来显得十分复杂，但通过分析可以略去某些复杂性质而建立的一种简化模型，将会大大有助于问题的求解。

如题2：通常一次闪电过程历时约0.2～O.3s，它由若干个相继发生的闪击构成。每个闪击持续时间仅40～80μs，电荷转移主要发生在第一个闪击过程中。在某一次闪电前云地之间的电势差约为1.0×v，云地间距离约为l km；第一个闪击过程中云地间转移的电荷量约为6 C，闪击持续时间约为60μs。假定闪电前云地间的电场是均匀的。根据以上数据，下列判断正确的是：
A.闪电电流的瞬时值可达到1×A
B．整个闪电过程的平均功率约为l×W
C．闪电前云地间的电场强度约为l×106V/m
D.整个闪电过程向外释放的能量约为6×J

显然此题做了很多的简化，比如说一次闪电的历程、每个闪击持续的时间、电荷转移主要发生在第一个闪击过程、闪电云地间的电场是均匀的等。这样就使考题简化成了我们高中熟悉的平行板电容器的模型，能进行考查学生平行板电容器，及匀强电场的知识点。

3、微元法。一个问题若从整体上不满足于建立一个模型时，不妨将这个整体视作为由许多微小体或元过程组成，对每一微小单元进行建模，通过对每一单元的分析和讨论，找出整体研究对象（物体或物理过程）的变化规律.

二．模型迁移的三种基本形式

通过长期引导，让学生不断积累，在学生的头脑中就逐步建立了一个“物理模型库”，对解题来讲，他们要做的就是将待求问题与这些模型“对接”.一般来讲，对接的方式有两种：直接对接和转化对接.直接对接，即拿到一道题，经过辨认，它属于某个基本模型，于是直接提取该模型的相应规律来解决.转化对接，即遇到一些稍新、稍难一点的题目，似乎“没有条件”说明直接属于某个基本模型，我们不妨“创造一些条件”，使题目与基本模型对接，对接形式即模型迁移主要有以下三种。

1、等效迁移

等效法是指利用事物之间存在的等同性，用简单的、易于研究的物理模型代替复杂的物理客体，使问题简单化的一种科学思想方法．在运用模型进行解题的过程中，若能将此法渗透到对问题的分析中去，不仅可以使我们对物理问题的分析和解答变得简捷，而且对灵活运用知识，促使知识、技能和能力的迁移，都会有很大的帮助．

如题3、边长为a的正方形导线框放在按空间均匀分布的磁场内静止不动，磁场的磁感应强度B的方向与导线框平面垂直，B的大小随时间按正弦规律变化，如图所示．则导线框内感应电动势的最大值为多少？
解析本题所设情景属产生电磁感应现象的“磁变模型”，常规思路是利用法拉第电磁感应定律E感=∆Φ/∆t,写出Φ的瞬时表达式，再把Φ对时间t进行求导．但在高中阶段的教学中，并未涉及这方面的知识，因此不少同学拿到此题后感觉无从下手．我们不妨写出磁通量Φ的瞬时表达式：Φ = BS = B0a2sin(2πt / T )，可以发现，这种磁通量Φ的变化过程与线圈在磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动时磁通量Φ的变化过程相同．因此，可以把本题所涉及的变化过程等效为一个“切割模型”：一个边长为a的正方形线框在磁感应强度为B0的匀强磁场中绕垂直于磁场的轴以角速度ω=2π / T作匀速转动（如图），线圈中将产生交流电．则感应电动势的最大值为：Em=B0Sω= B0a2 ∙ 2π / T= 2πB0a2/T．

2、类比迁移

所谓类比，就是把同类事物或者是把异类或不同发展阶段但具有某些相似方面的事物加以对比，根据两个事物在某些属性上的相似而推论出它们在其它某一属性上也可能相似的结论．类比法解题有2个主要环节：第一是从类比源中选取模型，即搜索记忆中与新问题相似的物理模型；第二是关系匹配，即把新问题与搜索出的物理模型进行比较.比较时，应从正反两方面进行，既要寻找它们之间的相同点,也要寻找不同点,以防止负迁移．

3、虚拟迁移

在物理问题解决中，往往会发现一些物理情景似乎可以用某种模型作出解释，但是却在分析比较中发现某些条件尚未满足，尽管一时还无法做出抉择，但却坚持认为用模型来解决的可能性还是有的．此时，我们不妨通过对物理情景增加或减少一些因素使模型的条件得以成立，虚拟出一个典型的物理模型，根据这个理想模型所表现的特点，来考虑实际问题条件下的结果，是理想化方法的一种巧妙运用.

三．运用模型解题时须注意的两个问题

首先，模型是相对的且一物可以有多种模型。模型突出了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，比如，竖直上抛运动是一个理想过程模型，是在将空气阻力忽略并将物体看作质点模型的前提之下成立的，若空气阻力相对于重力不可忽略，那么物体的运动过程就不能理想化为竖直上抛运动模型。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.比如地球，在研究天体公转问题时，可以将它看作质点；在研究接收太阳光光能时将它看作一个圆面；在研究地球表面上的人观察日出日落现象时，地球又被看作是一个球体。

其次公式要与模型相匹配。物理定律或定理都是运用某一特定的模型，通过逻辑推理或实验总结归纳出来的，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.忽视这一点，定律与模型不配套，盲目应用，将导致错误。如：一位质量为m的运动员从下蹲状态向上起跳，经t时间，身体伸直并刚好离开地面，速度为v.在此过程中，地面对人有没有做功？ 对这个问题的思考，不少同学会毫不犹豫是认为：根据，人起跳过程，地面对人有支持力，同时人的重心上升，即重力向上发生一段位移，所以，地面对人是做了功的。但是答案却是不做功，出乎意料吧！这是怎么回事呢？我们可以从能的转化与守恒来思考，假设地面对人做功，那么人获得的能量应该来自于地球，但事实上，在这个问题中，地面是不可能主动给人能量的，我想，大家应该可以意识到人能起跳所需的能量（动能）只能来自于人本身，从这一点来看，地面对人当然不做功啦.为什么会出现矛盾的结果呢？究其原因是由于这一公式来源于一个具体的情景，即一个恒力拉着一个木块，在这个情景中木块是可以看作质点的，而在这个问题中的人却不可以看作质点，所以这个公式不能用在这个情景中.功的本质定义是“功是能量转化的量度”，所以，从功和能的关系来理解功的概念，才能理解到功的本质涵义。

实际上各种类型的“模型”还有许许多多。从上面所举例子可以看出，建立适当的物理模型，应用类比的方法，解决有关问题显得很简捷。熟悉并掌握这种科学研究的思维方法，养成良好的思维习惯，举一反三，触类旁通，化繁为简，不但能使学生加深对物理概念和规律的理解，提高解题技巧，而且对学生在高考有限的时间里迅速找到解题的方案。在紧张的高三复习中题目是讲不完的，而模型是有限的，在复习中要善于把物理问题模型化。我们平时在教学过程应引导学生深刻认识已有的物理模型，并注重积累和总结，把待解决的问题纳入到已有的模式中，提高解题能力。

参考文献：
1、查有梁、苏明义中学物理教学建模[M]、南宁：广西教育出版社，2003
2、于世涛、彭德应重视物理问题模型化能力的培养[J]物理教学，2008（4）