淺談物理教學中的理想化模型

趙穎姝

摘要：物理模型，是一種理想化的物理形態(tài).科學家進行理論研究時，通常都要從構造模型入手，利用抽象、理想化、簡化、類比等手法，把研究對象的本質特征抽象出來，構成一個概念、實物或運動過程的體系，即形成模型.由于物理學所分析和研究的實際問題較復雜，所以，無論是做物理研究還是理論學習，理想模型都是必不可少的.

關鍵詞：理想模型；抽象思維；模型作用

縱觀物理學發(fā)展的歷史，建立理想化模型，是簡化物理學研究的重要手段.隨著物理學的發(fā)展，物理模型越來越受到人們的重視，它促進了物理規(guī)律、理論的發(fā)展，推動了物理學向新的領域擴展.

1理想模型

為了便于著手分析與研究，物理學中常常采用“簡化”的方法，對實際問題進行科學抽象的處理，抓住主要因素，忽略次要因素，得出一種能反映原物本質特性的理想物質（過程）或假想結構，這種理想物質（過程）或假想結構稱之為物理理想模型.理想模型是一種理想化的研究對象，如力學中的質點、光滑面、斜面實驗、彈簧振子、連續(xù)介質、理想流體，熱學中的理想氣體、孤立系統(tǒng)，電磁學中的點電荷、試探電荷、勻強電場、純電阻、純電感、純電容、無限長螺線管、理想變壓器，光學中的光源、光線與光的直線傳播、薄透鏡，近代物理中的黑體等.

2構建理想模型的基本原則

2.1提出問題的主要因素，忽略問題的次要因素

物理學所研究的對象往往是比較復雜的，受許多因素影響，有的是主要因素，有的是次要因素.為了使物理問題簡單化，以便于直觀分析，我們往往對所研究的客體進行簡化.忽略次要因素，抓住所研究問題的主要因素，建立理想模型.例如對于實際氣體的研究，我們把氣體分子看作彈性小球，分子之間的碰撞就是彈性碰撞，并且碰撞的持續(xù)時間小到可以忽略不計，除碰撞瞬間外，氣體分子間相互作用力可以忽略.這樣，這樣就把實際氣體抽象為理想氣體.即理想氣體是真實氣體在壓強不太大（與標準大氣壓相比），溫度不太低（與常溫相比）的條件下的近似.

2.2構建的理想模型要盡可能簡潔

早在十七世紀，意大利物理學家伽利略在大量的實驗基礎上忽略了空氣阻力等一些次要因素，建立了自由落體的理想模型，從而得出自由落體的運動公式h=1/2gt2，這體現(xiàn)了物理學研究的簡潔美.

2.3選擇理想模型要根據(jù)研究問題的需要而定

一個物體或物理過程被抽象為何種理想模型不是一成不變的，而是要根據(jù)所研究的問題的需要而定.例如，研究地球繞太陽運轉時，由于地球直徑跟它繞太陽運轉的軌道直徑相比小得很多，地球各部分運動狀態(tài)沒有多大差別，因此可把地球看作質點；研究地球自轉時，地球各部分運動狀態(tài)有很大差別.此時地球不能看作質點.例如，當研究火車的運動從上海到廣州需要多長時間時，可以忽略其長度將其看作質點，而當研究它在運行過程中經過一個電線桿、某個山洞或某座橋需要多長時間時，就不能將其看成質點.

人們在研究光的本性時，光的電磁假說不能解釋“光電效應”現(xiàn)象.這時愛因斯坦在普朗克量子論的基礎上，又提出了光子假說.他認為光是由一份一份具有一定質量、能量和動量的粒子所組成的粒子流.這種粒子稱為光子.愛因斯坦提出了光子理想化模型.能很好地解釋了光電效應現(xiàn)象，從而使量子理論向前推進了一大步.

因此，解決物理問題時，應根據(jù)具體問題選擇理想模型.

3構建理想化模型應注意的問題

第一，構建理想模型是否會破壞所研究的對象；

第二，分離出來的主要因素與作為整體一部分的因素是否有較大差別；

第三，抽象后的模型能否進一步的反映實際的物理現(xiàn)象及規(guī)律.

因此構建理想模型必須要有正確的方法和完整的操作過程.

科學抽象在建立物理學中的理想模型時起著至關重要的作用.科學抽象一般分為表征性和原理性兩類：表征性抽象，它所包括的是事物的表面特征，比如物體形狀和大小，顏色、重量、波長等；原理性抽象，概括的是事物的內在因果關系和規(guī)律性聯(lián)系.例如，庫侖定律和萬有引力定律，光的反射、折射定律等，這些規(guī)律都是基于科學原理構建了一些理想化模型，如點電荷和質點，才得出的，它們是科學抽象的結果.

構建理想模型的一般方法是：

（1）分析影響實際問題的因素；

（2）比較各因素在研究問題中的作用；

（3）忽略影響問題的次要因素.

4理想化模型分類及其特征

4.1理想化模型分類

4.1.1事物本身的理想化

即把所研究的事物本身作為理想化的客體.如質點、點電荷、點光源、光滑平面等等，這些理想化模型就是實際物體在某種條件下的近似和抽象.

4.1.2物理過程的理想化

自然界中各種事物的運動變化過程都是極其復雜的.根據(jù)所研究問題的性質和需要，忽略過程的次要因素，只保留過程的主要因素，把物理過程理想化，就得到了理想過程.如勻速直線運動、拋體運動、簡諧運動，理想氣體狀態(tài)變化等等，都是理想化過程.

4.2理想化模型的特征

4.2.1抽象性

理想化模型是經過科學家抽象而建立起來的一種理想狀態(tài)，具有科學的抽象性.它本身是一種科學概念，但不同于一般的抽象概念，是形象思維的結晶，是建立在抽象思維中的一種簡化了的圖象、圖式、符號.由于所建立的理想模型與原型之間在結構、功能、性質等方面具有一定的相似性，可通過一定的理論、原理和規(guī)律，以其代表原型，來表征各種變量的變化規(guī)律.

4.2.2近似性

理想模型突出反映了客觀事物及其變化過程的某個主要矛盾、特征或主要運動形式，突出了主要因素，而忽略了其它次要因素.例如具有一定的大小、形狀和內部結構的實際運動的物體，在運動形式上還有可能有轉動.但我們常見的理想模型——質點，用來代替物體的運動，卻忽略了上述的次要因素，而保留在運動過程中起主要作用的因素：物體的質量和它所占有的空間位置.并忽略空氣阻力和浮力作用，同時不考慮物體的翻轉等諸多因素的條件下成立的.而實際的落體運動不僅要考慮這些而且物體受到的阻力不僅與物體的形狀和大小有關，還與下落的速率有關等等.endprint

4.2.3局限性

任何理想化模型都是在一定條件下建立起來的，離開了這一條件這一模型就不能使用，這就是理想化模型的局限性.因此，自由落體運動，首先把物體看成質點.

4.2.4相對性

某個事物在不同的情況下，如同一物體在這個問題中可視為質點，而在另一問題中不能看作質點處理，這就是理想化模型的相對性.如前面提到的地球的公轉和自轉的問題，研究火車的運動問題等等.

5理想化模型的作用

5.1在研究結果不發(fā)生較大偏差的基礎上，使問題的處理簡單化

例如，上面提到的地球繞太陽運轉的問題：地球在繞太陽公轉的同時，地球又繞其地軸不停的自轉；而對于地球這個具有一定大小的球體，顯然它上面各點具有相對于太陽不同的運動情況.但是在研究地球繞太陽公轉時，考慮到日心到地心的平均距離約為145 900 000km，地球的半徑約為日、地距離的1/23 439，而對比之下，地球的半徑就微乎其微了.因此我們就可以忽略地球上各點相對于太陽在運動上差別.所以，我們研究地球繞太陽公轉問題時，就可以把地球看作沒有形狀和大小的理想模型——質點.通過建立理想模型，大大簡化了地球相對太陽運轉的問題，而我們所了解的質點和點電荷，其實都是對真實物體或帶電體的一種簡化和抽象，諸如萬有引力定律、牛頓運動定律、庫侖定律、洛倫茲力公式等基本規(guī)律以及質點力學等基本理論都是在它們的基礎上建立起來的.也正因為這兩個理想模型的建立，才使一些較復雜，困難的問題得以解決.

5.2理想模型能夠突出物體原型的本質特征，便于進行邏輯思維和發(fā)揮想象力

充分發(fā)揮想象力和綜合運用多種邏輯方法是建立理想模型或一般物理模型的必要條件.理想模型可以幫助我們把握事物的本質和主要因素，從而忽略那些次要因素和細節(jié).理想模型建立與利用，使我們在以現(xiàn)實條件為基礎的同時又能超越我們現(xiàn)有的條件，充分發(fā)揮我們的想象力和邏輯推理能力，為今后的科學研究指明方向.

以理想氣體的微觀模型為例，認為氣體分子的大小與氣體分子之間的距離相比可以忽略不計是建立該模型的基本條件；氣體分子在運動過程中遵循牛頓運動定律，氣體分子與分子之間、氣體分子與器壁之間的相互作用都可看作彈性碰撞，即在不改變氣體分子的內部能量的前提下交換能量和動量；我們把氣體分子的重力，以及除碰壁瞬間外分子之間的相互作用都忽略不計.我們就把這種可由無數(shù)自由地、無規(guī)律地運動著的彈性球分子結合起來的氣體分子，叫做理想氣體分子的模型.

在研究問題時，忽略分子內部各種形式的能量轉換，這也就是理想氣體分子模型的實質.在理想模型的基礎上，建立了分子動理論，把物理學引入了分子世界，確實令人驚奇.

5.3利用物理模型的某些相似性，用類比的方法研究問題

例如，在天體運動模型中，基本原理為萬有引力提供向心力、速度、加速度、動能和周期等都隨著軌道半徑變化而變化，而我們在研究原子發(fā)光理論時，核外電子所受的庫侖力提供向心力，核外電子從外界吸收能量后向高能級躍遷時，我們會把天體的運動規(guī)律自覺地遷移過來，形成類比的方法來進行研究，從而使問題簡化.

5.4從理想模型與實際原型的差異中可得到新的啟示，產生科學預見

一切理想模型的建立都有一定前提條件的，這也就決定了它的局限性.當理想模型與實際結果出現(xiàn)矛盾時，我們必須認真地分析模型與實際情況.而往往可以從中得到啟示，從而產生了新的科學預見.

如在固體物理學中，由于世界上不存在沒有任何缺陷的完整晶體，而為了便于研究，建立了理想晶體這一模型.但通過微觀理論強度計算所得的結果是實際金屬材料強度的一千倍.于是人們就從中得到啟示，預言金屬材料的強度減弱的原因是實際材料中存在著許多缺陷，這就引發(fā)了人們對點缺陷、線缺陷、面缺陷與體缺陷的研究，并在實踐中證實了這個預言.

6理想化模型方法的意義

6.1推動物理學發(fā)展

伽利略理想斜面實驗為牛頓第一定律的建立，提供了有利的科學依據(jù)，伽利略對自由落體的研究開辟了科學的物理研究方法，光線的引人為幾何光學的研究開辟了先河.能量子的提出為量子論的初步奠定了基礎，所有這些理想化模型的建立和引入，都大大地推動了物理學的發(fā)展，加快了人們對物理規(guī)律的探索和研究.加快了人們對自然規(guī)律的認識.

6.2促進物理教學

在大學普通物理與中學物理教學的教學內容和形式上，理想模型都扮演著舉足輕重的角色.為了更好地傳授知識，引入了理想模型，而這種能夠化抽象為具體，化繁為簡的物理方法，在教學過程中，起到了事倍功半的效果.與此同時也培養(yǎng)了學生的思維和創(chuàng)新，對學生進行了科學方法論的教育.通過理想化方法的學習，可使學生從中學會如何抓住主要矛盾，忽略次要因素，學會處理實際問題的方法，教育學生學會進行科學抽象的方法.

因此，要讓學生更加熟練地掌握物理知識，就要抓住每一個可培養(yǎng)學生科學思維能力的理想模型的教學過程，讓學生從中得到鍛煉，并且學到一些獲益終身的思想方法和物理知識.

7結束語

綜上所述，理想模型是從研究問題的簡化和從實物中抽象而來的，它反映了原型的主要本質，忽略了次要因素.物理模型的建立是一種重要的物理方法，理想模型在物理學理論研究與物理教學中均具有重要的作用和意義.endprint