物理教学中模型法的应用

物理教学中模型法的应用

作者：厚富国

来源：《杂文月刊·教育世界》2015年第06期

【摘 ; ;要】模型法作为科学研究的一种最基础的方法，已在物理实验教学中日益受到重视，文章介绍了替代模型、物理相似模型、过程模型和模型放大等几种模型方法。 【关键词】实验 ;模型法 ;替代模型 ;相似模型 ;过程模型 ;模型放大

模型法是通过设计与原型（自然现象或过程）相似的模型，并利用该模型来间接地研究原型规律的方法。它随着生产和科学技术的发展而发展，是人类认识世界和改造世界最基础的方法之一。此法应用于物理教学可使事过境迁或稍纵即逝的自然现象或过程在实验室重现，可将现象简化或进行时空的放大、缩小，可对那些既不能打开，又不能从外部直接观察其内部状态的系统进行研究。特别是解决那些尚无简单有效的仪器可演示的实验，模型法则成了一种重要的辅助手段。

物理实验中的模型法，根据其特点及主要功能，并结合本人教学实践，分为以下四类。 一、替代模型

就是用放大或缩小了的、相似的，而又能反映事物某方面规律的客观实体来代替研究对象的方法叫替代模型。

替代模型的设计思想主要在于下述两种情况：其一是为了突出客观实体的主要矛盾和本质特征，摒弃次要的非本质因素，使研究对象从客观实体中直接抽象出来。如质点、理想气体、弹簧振子、点电荷、纯电阻等理想模型，以及天体运动模型，微观结构等几何相似模型。在研究二极管的单向导电性时，在实验基础上，运用替代模型法，用自行车气门和进水阀门来模拟二极管的单向导电性。如此，不但加深对“单向性”的认识，而且激发了兴趣，开阔了思路。其二是为了解释某些行为和特征而建立起来的模型。 二、物理相似模型

在科学研究和工程技术的许多领域中，人们常常希望利用模型试验来代替对实际现象的研究，以便使我们可能在一定程度上预言某些在目前尚无法达到的条件下出现的情况。例如用水代替石油研究其在管道中的运动，用闭合电路中的导线在钢错上摩擦产生电磁波等。其特点即模型与原型遵循同样的物理规律，故称为物理相似模型。

物理实验教学中的“失重和超重模型实验”，“马德堡半球”，帕斯卡裂桶等，均是物理相似模型的范例。

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磁感线是用来形象地描述磁场的假想的曲线。做好“磁感线”的演示实验模拟，对实现教学目标十分重要。因此我们可利用蓖麻油、铁屑、磁铁来做好这个实验，使学生记忆深刻。 三、过程模型

把具体物理过程纯粹化、理想化，并根据其本质特征而设计的一种模型叫过程模型。其特点是过程简化，易于控制。

气体压强的分子运动论观点，通常采用雨滴打伞等面来类比。这种大量分子对器壁连续碰撞的过程，如果用豆（或沙）落在平衡天平一端倒扣着的托盘底上的现象来模拟，就显得直观生动了。装有铁屑的试管模拟铁棒的磁化和退磁等都是过程模型的成功例子。

分析曲线运动的思想方法——运动的分解是个难点，可以平抛运动为突破口，在演示有关实验后，用“慢镜头”的方法，手持粉笔头边走（模拟水平匀速直线运动）边沿自身前方，从上向下加速下移，以此模拟平抛运动，既简单明了，又便于分析。热学中的统计方法，由于受课堂教学时间的限制，怎样从个别事件的无规律过渡到大量事件的有规律，成了模拟实验的设计难点，在教学中采用全同等可能过程，在不同时刻的空间比较可以等效变换成同一时刻不同状态的比较的方法，让全班同学同时掷币若干次，然后统计比较下列情况“国徽”朝上的次数：（1）某同学;（2）某小组同学;（3）全班同学。从而使学生既突破了难点又受到一次生动的方法论教育。 四、模型放大

在物理概念和规律教学中，学生往往对那些不易观察或不能从外部直接观察其内部状态的规律，因缺乏形象的感性材料而引起思维障碍。模型放大正是采用空间放大和时间放大的方式，抓住本质特征，展现其生动直观形象，从而促进思维顺利进行。

液体压强与流速的关系学生比较陌生，可以通过模型放大的方法加以演示，让学生加深印象。具体方法是：把灌足有色水的气球跟各部分粗细不同，且在粗细不同的地方有竖直小侧管的水平玻璃管连接，让竖直小侧管管口向上。由于气球膜的收缩力对水产生的水压使气球内的水通过玻璃管流出，这时我们看到，水在各个侧管中上升的高度不同，接玻璃管粗处侧管的水面升得较高，接玻璃管细处侧管的水面升得较低，这说明流动液体的压强在管道细的地方比粗的地方小，而在同一管道中，管道细的地方液体流速大，管道粗的地方液体流速小，故实验表明：液体流速大处压强小，液体的流速小处压强大。如果我们用手挤压气球，这时看到玻璃管中水的流速加大，同时所有小侧管中的水面下降;松手停止挤压气球，可看到玻璃管中水的流速变小，同时所有小侧管中的水面上升。用这个方法，我们可以演示，液体流速大时压强小，流速小时压强大。

力的分解，关键是根据力产生的效果来确定分力的方向。其中三角支架是典型的问题，在教学中教师由两个同学配合，一个同学用手撑着腰，另一个同学在手的肘部用力竖直往下拉，

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让他感受力的作用效果。在讲摩擦力的方向时，用长毛板刷来模拟放大物体的运动趋势，一目了然。

综上所述，模型法作为科学研究中的一种最基础的方法，已在物理实验教学中日益受到人们的重视。这种方法，必将在开拓设计思路，激发学生兴趣，突破教学难点等方面发挥其独特作用。