科學(xué)探究物理模型創(chuàng)建途徑

1、科學(xué)探究物理模型創(chuàng)建途徑康孟孟 在20世紀初，美國人杜威（JDewey）指出，對于科學(xué)，學(xué)生要掌握的不只是知識，還應(yīng)包括過程或方法，現(xiàn)在，研究性課程已成為中國基礎(chǔ)教育改革的重點和突破口，而創(chuàng)建出實際問題的理想模型的過程和方法的訓(xùn)練。應(yīng)該是研究學(xué)習(xí)中學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力培養(yǎng)的切入點之一。由于實際問題中到處充滿著不能由單一線性關(guān)系代替的復(fù)雜的非線性關(guān)系。因此，要在實際問題中，找出簡單的理想模型來，往往是艱難的。實際上，物理學(xué)中的實驗定律，在一定程度上都是近似規(guī)律。例如，教科書一直說滑動摩擦力的大小跟壓力成正比，與接觸面積無關(guān)，我們通過“研究影響摩擦力的因素”這個課題的探究活動發(fā)現(xiàn)。實際情況與這種

2、說有較大偏差，從原子尺度上的電磁相互作用看，不是“物體表面越光滑，摩擦力越小”。盡管如此，但這并不意味著在實際問題中找不到理想模型來，本文試圖從研究復(fù)雜系統(tǒng)怎樣向簡單有序躍遷的有關(guān)觀察實驗、現(xiàn)代神經(jīng)生理學(xué)和生理心理學(xué)關(guān)于人腦思維過程猜想的成就等方面探究物理模型的創(chuàng)建途徑，以同大家商榷。弱化條件使系統(tǒng)向有序躍遷顯現(xiàn)模型用心研究物理學(xué)本身的許多實際系統(tǒng)的躍遷實驗，我們發(fā)現(xiàn)，一般情況下，把系統(tǒng)躍遷的條件弱化到一程度，系統(tǒng)顯現(xiàn)的模型是簡單有序的；若條件強到超過某一極限，系統(tǒng)的變化出現(xiàn)混沌行為。混沌學(xué)認為混沌現(xiàn)象不全是混亂的無序，含有高級的有序。因此，學(xué)生在研究性學(xué)習(xí)的初級階段，要設(shè)法控制實驗條件并且適

3、當弱化，在系統(tǒng)初期有序變化的現(xiàn)象中找規(guī)律建模型。例如，在水的相變實驗中，要找到有沸騰現(xiàn)象出現(xiàn)的簡單模型，只有在不太高的溫度和較低的壓強下才能實現(xiàn)，若溫度和壓強高到一定程度，沸騰現(xiàn)象就不存在了。同樣有，在氣體狀態(tài)變化的實驗中，高溫高壓下，不會得出理想氣體這個簡單模型。又如，在單擺的周期振動實驗中，只有在擺角小于5這樣的弱條件下，單擺的振動才是簡諧振動模型，若把它變?yōu)槭芷日駝忧也邉恿Φ膹姸群皖l率增大到一定程度，振動的規(guī)律就難以預(yù)測。再如，電磁波的傳播規(guī)律，在弱的電磁場中，存在相互疊加互不干擾獨立傳播的疊加的模型，但在強場中，如太陽黑子活動高峰期，電磁波傳播會趨于混沌能使通信中斷。顯然，為了能讓實際

4、系統(tǒng)的變化顯現(xiàn)簡單的有序，我們?nèi)趸氖窍到y(tǒng)的外界條件，這些條件對決定系統(tǒng)的本身的性質(zhì)來說是次要的，是應(yīng)該舍掉的。例如，在單擺簡諧振動的周期公式中就沒有擺角、擺球的質(zhì)量等次要因子。所以，錢學(xué)森說“模型就是通過我們對問題的分解，利用我們考察來的機理，吸收一切主要因素，略去一切不主要因素創(chuàng)造出來的一幅圖畫”。由前面物理模型的顯現(xiàn)過程可知，人為控制條件的實驗在建模過程中起著決定性作用。猜想實驗在前，創(chuàng)建模型在后。事實上，以往所有“自然規(guī)律”都是通過人們的思維，根據(jù)實驗或?qū)嵺`所得的資料或經(jīng)驗，簡化成的各種模型。下面我們探究我們是如何用大腦進行分段思維從物理現(xiàn)象中提煉出物理模型最后活用模型解決問題的。得表

5、象舍實驗得模型舍表象創(chuàng)建模型現(xiàn)代神經(jīng)生理學(xué)和生理心理學(xué)關(guān)于人類思維基礎(chǔ)的研究提供了人腦思維為什么能從實驗現(xiàn)象躍遷到模型這一過程的大量信息，探究分析這些信息發(fā)現(xiàn)，這一過程也是將反映條件或手段弱化的過程，即所謂“善學(xué)者，得魚忘筌，不善學(xué)者，刻舟求劍”。割裂腦的研究表明，大腦由左右兩半球組成，左右兩半球?qū)φZ言信息和非語言信息的處理能力是不同的。一般來說，左側(cè)大腦對語言信息的處理能力較強，而右側(cè)大腦對非語言信息的處理能力較強，而在日常生活中我們的一切活動是如此地協(xié)調(diào)一致，這是因為兩側(cè)大腦半球之間有著豐富的神經(jīng)纖維聯(lián)系，彼此保持著相互密切的信息交換，抽象思維和形象思維在這里交叉互補，相互激發(fā)。要有效地獲

6、得模型，形成理論，需要兩個半球通過中央連合體的協(xié)同工作。令人遺憾的是，這種合作活動往往不是能同時一步實現(xiàn)的。精神分析學(xué)在腦解剖學(xué)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上對裂腦人的奇異現(xiàn)象作了深入分析后得知，人類通過進化成熟了的語言邏輯思維壓制著人類原始具有的直覺認識功能。由此可見，人類的大腦有固執(zhí)于事物的表面形態(tài)、拘泥于言和存心于象的頑固習(xí)慣。因此，創(chuàng)建模型的過程是分步迂回進行的。第一步是系統(tǒng)表象的獲得階段。為了突出表象，實驗手段在大腦國弱化退位，這時要盡量讓學(xué)生用多種感管感受悟?qū)ο?，大腦的這種形為是“忘卻語言”的活動；第二步是從表象認識中總結(jié)規(guī)律創(chuàng)建模型的階段，這時期要用人類的深層次意識直覺體悟表象的內(nèi)存本質(zhì)聯(lián)系，當表

7、象條件弱化退位，茅塞頓開便是模型創(chuàng)生之日。對我們多數(shù)漸悟者來說，這一階段往往需要一段較長的時間。例如，對牛頓第二定律F=ma模型的理解，丁肇中在中學(xué)時代就想了數(shù)周之久。通過重重障礙獲得的物理模型在不用時，在大腦中一般是靜態(tài)的。要用物理模型解決動態(tài)問題,還需要訓(xùn)練學(xué)生怎么樣利用想象力將靜態(tài)的模型動起來形成物理過程。用力分析畫狀態(tài)活用模型想過程利用物理模型進行動態(tài)分析時，首先要根據(jù)實際問題中研究對象的受力情況進行準確分析，接著用牛頓運動定律確定研究對象的運動性質(zhì)，得到實際問題的簡化物理模型后，再啟動想象力大膽推猜此問題的模型中各物理量的動態(tài)變化過程，這一過程跟前面建模過程相反，是一個將題設(shè)中各動態(tài)條件巧妙添加的過程。為了能用數(shù)學(xué)語言準確描述這一動態(tài)問題中各物理量間的定量關(guān)系，用草圖將這一動態(tài)過程中的典型狀態(tài)構(gòu)畫出來，動態(tài)過程中各物理量的幾何關(guān)系就會躍然紙上，實際問題中的動態(tài)物理情景就會自然想象，