教學(xué)模型在物理學(xué)中的應(yīng)用是專門為用戶解決疑難問題的,非常具有代表性,在客戶進(jìn)行產(chǎn)品選型前,我們一般建議用戶先看下教學(xué)模型在物理學(xué)中的應(yīng)用。這樣能對(duì)用戶選型有非常大的幫助。
教學(xué)模型在日常生活、工程技術(shù)和科學(xué)研究中經(jīng)常用到,對(duì)我們的生產(chǎn)、生活有很大幫助。物理學(xué)研究具有復(fù)雜性,怎樣發(fā)現(xiàn)復(fù)雜多變的客觀現(xiàn)象背后的基本規(guī)律呢?又如何表達(dá)呢?人們有幸在漫長(zhǎng)地實(shí)踐活動(dòng)中找到一些有效的方法,其中一個(gè)就是:在具體情況下忽略研究對(duì)象或過程的次要因素,抓住其本質(zhì)特征,把復(fù)雜的研究對(duì)象或現(xiàn)象簡(jiǎn)化為較為理想化的模型,從而發(fā)現(xiàn)和表達(dá)物理規(guī)律。
既然物理模型是物理學(xué)研究的重要方法和手段,物理教育和教學(xué)中對(duì)物理模型的講述和講授就必不可少。建立物理模型就要忽略次要因素以簡(jiǎn)化客觀對(duì)象,合理簡(jiǎn)化客觀對(duì)象的過程就是建立物理模型的過程。根據(jù)簡(jiǎn)化過程和角度的不同,將物理教學(xué)模型分為以下五類:物理對(duì)象模型、物理?xiàng)l件模型、物理過程模型、理想化實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型。下面逐一加以說明
(1)物理對(duì)象模型,直接將具體研究對(duì)象的某些次要因素忽略掉而建立的物理模型
這種模型應(yīng)用最廣泛,在初中物理教材中有許多很好的例子。例如,質(zhì)點(diǎn)、薄透鏡、光線、彈簧振子、理想電流表、理想電壓表、理想電源和分子模型。作為例子,我們?cè)敿?xì)分析質(zhì)點(diǎn)。質(zhì)點(diǎn),就是忽略運(yùn)動(dòng)物體的大小和形狀而把它看成一個(gè)有質(zhì)量的幾何點(diǎn)。其條件是在所研究的問題中,實(shí)際物體的大小和形狀對(duì)本問題研究的影響小到可以忽略。這樣以來,很多類型的運(yùn)動(dòng)描述就得到化簡(jiǎn)。比如,所有做直線運(yùn)動(dòng)的物體都可以看成質(zhì)點(diǎn)。因?yàn)樽鲋本運(yùn)動(dòng)的物體的每一部分每時(shí)每刻都在做同樣的運(yùn)動(dòng),所以就可以忽略其大小和形狀,而只找這個(gè)物體上的一個(gè)點(diǎn)作為概括,當(dāng)然,這個(gè)點(diǎn)的質(zhì)量就等于物體本身的質(zhì)量。這樣,直線運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡就是一條直線,很容易想象和理解。很多具體例子都可以這么做,如以最大速度行駛在筆直鐵軌上的火車,沿著航空路線飛行的客機(jī),從比薩斜塔上下落的鐵球等。
(2)物理過程模型,忽略物理過程中的某些次要因素建立的物理模型
在初中物理中,有勻速直線運(yùn)動(dòng)、穩(wěn)恒電流等,這些物理模型都是把物理過程中的某個(gè)物理量的微小變化忽略掉,把這個(gè)物理量看成是恒定的。因?yàn)檫@些量的變化量與物理量本身相比太小了,以至于可以略去不計(jì)。這樣不用考慮過程中物理量的復(fù)雜變化情況而只考慮恒定過程,分析問題就容易多了。
(3)物理?xiàng)l件模型,忽略研究對(duì)象所處條件的某些次要因素而形成的物理模型在初中物理中,有光滑面、輕質(zhì)桿、輕質(zhì)滑輪、輕繩、輕質(zhì)球、絕熱容器、勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)等。我們以輕質(zhì)桿為例加以分析,如簡(jiǎn)單機(jī)械里的杠桿,在初中階段把問題往往歸結(jié)到力矩的平衡上來,即動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂。
動(dòng)力和阻力不僅包括桿以外的物體對(duì)杠桿的作用力,還包括桿本身的重力;而桿重力的力臂在桿上的每一點(diǎn)都不同,這樣,除了桿的形狀是幾何規(guī)則的少數(shù)例子以外,絕大部分杠桿問題在初中階段就沒法解決,而輕質(zhì)桿的引入正好解決了這一問題。輕質(zhì)桿是忽略了自身重力的彈性桿。當(dāng)外界物體對(duì)杠桿的力矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于桿自身重力的力矩或者與桿自身重力的力矩相互抵消時(shí),就可以把桿當(dāng)成輕質(zhì)桿,杠桿受到的力矩只有外力矩,這樣所有杠桿平衡問題都可以迎刃而解。
(4)理想化實(shí)驗(yàn),在大量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,經(jīng)過邏輯推理,忽略次要因素,抓住主要特征,得到在理想條件下的物理現(xiàn)象和規(guī)律的科學(xué)研究方法就是理想實(shí)驗(yàn)。
理想化方法是物理科學(xué)研究和學(xué)習(xí)中最基本、應(yīng)用最廣泛的方法。初中物理中就有一個(gè)非常著名的理想化實(shí)驗(yàn):伽利略斜面實(shí)驗(yàn)。伽利略斜面實(shí)驗(yàn)有許多,現(xiàn)在舉其中的一個(gè)例子,同樣的小球從同種材料同樣高度的斜面上滑下來,在摩擦力依次減小的水平面上沿直線運(yùn)動(dòng)的路程依次增大。伽利略由此推知:小球在沒有摩擦的水平面上永遠(yuǎn)做勻速直線運(yùn)動(dòng)(在理想條件下的物理現(xiàn)象)。牛頓又在此基礎(chǔ)上建立了牛頓第一定律。無需多論,也足以見得理想實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)大力量。
(5)數(shù)學(xué)模型 由數(shù)字、字母或其他數(shù)學(xué)符號(hào)組成的、描述現(xiàn)實(shí)對(duì)象數(shù)量規(guī)律的數(shù)學(xué)公式、圖形或算法
初中物理中的數(shù)學(xué)模型主要有磁感線和電場(chǎng)線。磁感線(電場(chǎng)線)是形象的描述磁感應(yīng)強(qiáng)度(電場(chǎng)強(qiáng)度)空間分布的幾何線,是一種數(shù)學(xué)符號(hào)。而磁場(chǎng)和電場(chǎng)本身的性質(zhì)對(duì)這些幾何線做了一些規(guī)定,如空間各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度是唯一的,規(guī)定了電場(chǎng)線不相交。這樣就使它們成為形象、簡(jiǎn)練而準(zhǔn)確的描述磁場(chǎng)和電場(chǎng)的數(shù)學(xué)符號(hào)。