高中物理理想模型初探

侯海軍

物理學(xué)是研究最基本、最普遍的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和相互作用的自然科學(xué).物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)過程往往要受自身或者外界環(huán)境的各種因素的影響，如果直接對(duì)某物體或系統(tǒng)進(jìn)行研究，把各種因素都考慮在內(nèi)，那么將十分復(fù)雜，我們就很難認(rèn)識(shí)事物的本質(zhì).為了使研究的問題變得簡單，就需要對(duì)研究對(duì)象作一些近似處理，抓住主要因素，忽略某些次要因素，將研究對(duì)象抽象成一種科學(xué)近似的模型，這種科學(xué)抽象的產(chǎn)物就是理想模型.

1 理想模型的特點(diǎn)

1.1 近似性

理想模型的近似性主要表現(xiàn)在任一理想化模型都是以一定的客觀實(shí)體為基礎(chǔ)并做出近似處理.如“質(zhì)點(diǎn)”忽略了物體的形狀和大小.

1.2 抽象性

理想模型與實(shí)體不同，它在實(shí)際生活中不存在，這又表現(xiàn)了它的抽象性.如“質(zhì)點(diǎn)”生活的一切物體都有形狀和大小.

1.3 局限性

理想模型都是在一定的條件下建立起來的，離開了這一條件理想模型就不能使用.如“質(zhì)點(diǎn)”是由所研究問題的性質(zhì)決定的，物體能否看作質(zhì)點(diǎn)具有一定的局限性.

1.4 相對(duì)性

某個(gè)事物在不同的情況下，有時(shí)可視理想化模型而有時(shí)則不可.如火車，在研究火車從北京到上?？梢暈椤百|(zhì)點(diǎn)”，但在研究火車過長江大橋時(shí)則不可視為“質(zhì)點(diǎn)”，這就是理想化模型的相對(duì)性.

2 高中物理理想模型的分類

2.1 對(duì)象理想模型

實(shí)際物體在某些特定條件下往往可抽象為理想的研究對(duì)象，即對(duì)象理想模型.如質(zhì)點(diǎn)、理想氣體、彈簧振子、單擺、點(diǎn)電荷、試探電荷、無限大平板、純電阻（純電容、純電感）、理想變壓器、點(diǎn)光源、絕對(duì)黑體、湯姆遜模型、盧瑟福模型等.

2.2 過程理想模型

將實(shí)際物理過程進(jìn)行處理，忽視次要因素，考慮主要因素，使之成為典型過程，即過程理想模型.如：勻速直線運(yùn)動(dòng)，勻變速直線運(yùn)動(dòng)，自由落體運(yùn)動(dòng)，拋體運(yùn)動(dòng)，勻速圓周運(yùn)動(dòng)，簡諧運(yùn)動(dòng)，彈性碰撞，恒定電流，等溫變化、等容變化、等壓變化、絕熱變化等等都是物理過程、物理狀態(tài)的模型.

2.3 模擬式理想模型

物理概念和規(guī)律在形式上是抽象的，在內(nèi)容上是具體的，因此，我們可以用模擬式理想模型來描述.如：電場線、等勢面、磁感線和光線等就是模擬式模型.

2.4 條件理想模型

物理過程總是在一定條件下發(fā)生的，條件模型將條件理想化，以便突出主要的物理現(xiàn)象和過程.高中階段此類理想模型有：勻強(qiáng)電場、勻強(qiáng)磁場、光滑斜面、“均勻”、“輕質(zhì)”、“理想電表”、“薄透鏡”等都屬于條件理想模型.

2.5 理想化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，依據(jù)嚴(yán)密的邏輯推理，對(duì)過程進(jìn)行分析、推理、總結(jié)得出規(guī)律.最典型的當(dāng)如伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)，得出“力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”的結(jié)論，理想實(shí)驗(yàn)是在現(xiàn)實(shí)中無法完成的實(shí)驗(yàn)，比實(shí)際實(shí)現(xiàn)具有更大的魅力和作用，在物理學(xué)發(fā)展史上具有重大的作用.

3 理想模型在高中物理教學(xué)中的作用

3.1 有助于學(xué)生對(duì)物理概念和規(guī)律理解

高中物理理想模型的提出與發(fā)展揭示了物理概念的形成與發(fā)展，理想化的方法也是理解物理概念和規(guī)律基本思路.

如電場強(qiáng)度概念教學(xué)時(shí)，首先引入了“試探電荷”這一理想模型，即忽略電荷的形狀和大小，忽略電荷產(chǎn)生的電場對(duì)需要研究電場影響，然后利用q所受電場力F，2q所受電場力2F，3q所受電場力3F……從而得出描述電場的本質(zhì)屬性的物理量電場強(qiáng)度，本過程從“試探電荷”的引入，到電場力的邏輯推理都能體現(xiàn)出理想化模型在概念的建立時(shí)的重要性，通過這種理想化使學(xué)生更容易認(rèn)識(shí)概念，也能讓學(xué)生更加深刻的理解概念的形成過程；此后進(jìn)行點(diǎn)電荷場強(qiáng)的表達(dá)式和電場強(qiáng)度的疊加時(shí)，學(xué)生理解就變得簡單.

再如平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律的教學(xué)時(shí)，平拋運(yùn)動(dòng)的概念提到“在空氣阻力可以忽略的情況下”的運(yùn)動(dòng)，用分解思想在處理時(shí)，將平拋運(yùn)動(dòng)分成水平方向“勻速直線運(yùn)動(dòng)”和豎直方向“自由落體運(yùn)動(dòng)”，然后再利用相關(guān)直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律在兩個(gè)方向上分別處理速度和位移，最后進(jìn)行合成得出平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，該教學(xué)過程的處理，從概念到規(guī)律的得出，都體現(xiàn)了理想化模型的作用，只有抓住主要因素，忽略次要因素時(shí)才能更加準(zhǔn)確和簡單的理解規(guī)律的本質(zhì)和意義.因此理想模型的教學(xué)既是認(rèn)識(shí)和理解規(guī)律的過程，也是應(yīng)用規(guī)律探索新知的過程.

3.2 有助于學(xué)生物理思想和思維力的培養(yǎng)

新課程背景下，學(xué)生能力的培養(yǎng)是關(guān)鍵，高中物理教學(xué)中，培養(yǎng)物理思想和思維力（即分析和解決物理問題的能力）則是一切能力的核心.理想模型的教學(xué)，除了傳授知識(shí)外，同時(shí)也是對(duì)學(xué)生物理思想和思維力培養(yǎng)的良好途徑.

如“單擺”模型的教學(xué)時(shí)：首先應(yīng)明確“單擺”是在細(xì)繩、球和空氣阻力都理想的情況才是單擺模型，證明單擺為簡諧運(yùn)動(dòng)時(shí)，學(xué)生首先找出平衡位置，找出位移，并對(duì)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行受力分析找出回復(fù)力，思考曲線運(yùn)動(dòng)的位移如何才能和回復(fù)力在一條直線上，并提出解決方案，最終使用極限思想，得到回復(fù)力與位移成正比，證明單擺運(yùn)動(dòng)為簡諧運(yùn)動(dòng).[HJ1.3mm]

再如教學(xué)中處理“速度選擇器”模型時(shí)：帶電粒子在忽略重力的影響下，沿平行板電容器方向進(jìn)入相互正交的勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場，學(xué)生通過受力分析發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)洛倫茲力和電場力平衡時(shí)粒子才能沿直線運(yùn)動(dòng)，并通過推理得出只有當(dāng)?shù)牧Ｗ硬拍苎刂本€運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)“速度選擇器”選擇的是速度的大小和方向，而與粒子的比荷無關(guān).再次展示“磁流體發(fā)電機(jī)”、“霍爾效應(yīng)”、“電磁流量計(jì)”等模型，讓學(xué)生通過上述思維過程進(jìn)行分析.

通過以上兩例可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行理想化模型教學(xué)時(shí)，通常用類比法、微元法、近似法、極限法等物理思想，欲理解清晰必需具有較強(qiáng)的物理思維力，理想模型教學(xué)中不僅是認(rèn)識(shí)理想模型，更是對(duì)高中學(xué)生物理思維的鍛煉，所以高中物理理想模型的教學(xué)過程更是培養(yǎng)和提高物理思想和思維的過程.

3.3 有助于學(xué)生解決高中物理問題

解決高中物理問題基本過程：“審視物理情境→構(gòu)建物理模型→轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題→還原物理結(jié)論”.高中物理問題大都是有多個(gè)理想模型組合而成的，因此對(duì)理想模型的理解程度就直接影響到具體的問題解決.如：

通過上述解析過程可以發(fā)現(xiàn)，本壓軸題由多個(gè)理想模型堆砌，解答過程需要學(xué)生深刻理解高中各個(gè)理想模型，明確模型的物理本質(zhì)，并能通過具體分析，構(gòu)建出熟悉的模型，最后將每個(gè)模型之間的聯(lián)系挖掘出來，便能輕松解決物理問題.

綜上所述，理想模型是物理學(xué)研究中基本方法，是物理概念和規(guī)律形成和發(fā)展的基礎(chǔ)，是高中物理思維形成的重要途徑，是解決高中物理問題根本，因此，高中學(xué)生必須掌握高中階段的所有理想模型.在教學(xué)中，物理教師應(yīng)更加注重向?qū)W生傳授建立理想模型的思想方法，強(qiáng)化理想模型的重要性.