高中物理教學(xué)中理想化方法的培養(yǎng)策略

魯世明

(江蘇省姜堰中學(xué),江蘇 泰州 225500)

科學(xué)方法是物理學(xué)發(fā)展中的靈魂,學(xué)習(xí)物理必須學(xué)會物理學(xué)的基本科學(xué)方法;科學(xué)方法還是從必備知識學(xué)習(xí)到關(guān)鍵能力發(fā)展之間的中間環(huán)節(jié),是溝通必備知識和關(guān)鍵能力的橋梁.物理學(xué)科核心素養(yǎng)特別強(qiáng)調(diào)了科學(xué)方法的重要性.理想化方法是物理學(xué)研究中最常用、最基本的科學(xué)方法之一,對提高學(xué)生的能力和核心素養(yǎng)的發(fā)展有重要指導(dǎo)意義.因此,高中物理教師在教學(xué)中要特別重視對學(xué)生進(jìn)行理想化方法的培養(yǎng)指導(dǎo).

1 理想化方法的內(nèi)涵

理想化方法,是科學(xué)抽象的一種特定形式,是人們運用理性思維的方式之一.物理學(xué)所研究的各種事物及現(xiàn)象都是很復(fù)雜的,往往是各種因素都交織在一起,要全面毫無舍棄地考慮各個因素的存在,就會使我們處理物理問題寸步難行.為了找到研究問題的思路和簡化程序,就需要在一定場合、一定條件下把現(xiàn)存的實際事物當(dāng)作理想形態(tài)處理,對復(fù)雜的實體或?qū)嶓w過程進(jìn)行思維加工,給予簡化、純化,抓住主要矛盾,舍去次要因素,揭示必然聯(lián)系.所謂理想化方法就是在科學(xué)思維中,用理想的客體代替現(xiàn)實的客體,按照一定的邏輯規(guī)則,通過設(shè)想、推導(dǎo)、論證揭示事物本質(zhì)的科學(xué)思維方法.

2 理想化方法的類型

在物理學(xué)研究中,理想化方法有以下3種類型： 理想物理條件,理想物理模型,理想物理實驗.

2.1 理想物理條件

在實際物理問題中,研究對象往往處于多種條件之中,但對研究的問題來說,并不是所有的條件都起同樣的重要作用.為了研究問題的方便,抓住主要條件,完全忽略其他次要條件的影響,形成理想物理條件.例如,自由落體運動是忽略空氣的摩擦力等次要條件,在研究的過程中抓住物體僅受到恒定重力的理想物理條件;研究微觀粒子如質(zhì)子、電子、離子在電磁場中的運動時忽略重力場,形成粒子僅受到電磁場力的理想物理條件;再如光滑平面、輕桿、輕繩、均勻介質(zhì)、勻強(qiáng)電場等都屬于理想物理條件.

2.2 理想物理模型

理想物理模型是以客觀存在的事物為原型,抓住實際客體最具本質(zhì)的特征,在思維中形成一種高度抽象的代替原型的理想客體,建立描述這種客體本質(zhì)屬性的純化模型.理想物理模型分為理想實體模型、理想過程模型、理想狀態(tài)模型3類.

(1) 理想實體模型.

用來代替由具體物質(zhì)組成的、代表研究對象實體系統(tǒng)的模型叫作理想實體模型.理想實體模型是指理想化的研究對象,如質(zhì)點、點電荷、點光源、單擺、理想氣體、理想流體、理想變壓器、薄透鏡、絕對黑體、原子模型等都屬于理想實體模型.

(2) 理想過程模型.

把具體物理過程進(jìn)行純粹化、理想化,抓住主要的因素所抽象出來的物理過程叫理想過程模型.如自由落體運動、勻變速直線運動、勻速圓周運動、簡諧運動、單擺運動、彈性碰撞、等溫過程、絕熱過程、光的直線傳播等都屬于理想過程模型.

(3) 理想狀態(tài)模型.

實際物理狀態(tài)非常復(fù)雜,把實際物理狀態(tài)理想化,進(jìn)行抽象,形成理想化物理狀態(tài)叫作理想狀態(tài)模型,如流體的穩(wěn)定流動、層流、似穩(wěn)靜電場、動態(tài)平衡等模型都屬于理想狀態(tài)模型.

2.3 理想物理實驗

理想物理實驗也叫臆想實驗、假想實驗、思想實驗,它是人們在物理實踐中遇到某些無法解決的問題時,在真實的科學(xué)實驗的基礎(chǔ)上,抓住主要矛盾,忽略次要因素,根據(jù)邏輯法則由大腦構(gòu)想出來的一種無法實現(xiàn)的實驗.理想物理實驗是一種形象思維與抽象思維相互作用的思維過程,是科學(xué)抽象的產(chǎn)物,由于理想物理實驗存在著它的客觀根據(jù),即理想實驗的實踐基礎(chǔ),故能得出合乎邏輯的結(jié)論,從而在物理學(xué)的理論研究中起著重要作用.如伽利略的拴在一起的輕重不同的兩物體下落的歸謬?yán)硐雽嶒灱袄硐胄泵鎸嶒?、牛頓的山頂平拋成為衛(wèi)星的理想實驗等都屬于理想物理實驗.

3 高中物理教學(xué)中理想化方法的培養(yǎng)策略

物理教學(xué)中實施理想化方法的培養(yǎng)教育,可以幫助學(xué)生更有效地理解物理概念,掌握物理規(guī)律,形成物理觀念,解決物理問題.高中物理教學(xué)中理想化方法的培養(yǎng)主要有以下幾種策略.

3.1 物理觀念教學(xué)中滲透理想化方法

通過物理觀念教學(xué)滲透科學(xué)方法是物理科學(xué)方法教育的根本方式和首要途徑.在物理教學(xué)中,進(jìn)行理想化方法的教育,不能脫離物理概念和物理規(guī)律,有些物理定律的建立和闡述本身就包含著物理學(xué)家所使用的理想化方法.在高中物理教學(xué)中,抓住物理觀念和理想化方法的結(jié)合點,讓學(xué)生體會到掌握理想化方法的意義,是通過物理觀念教學(xué)滲透理想化方法教育的關(guān)鍵,是促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)并掌握理想化方法的保證.例如,“牛頓第一定律”的教學(xué),學(xué)生已經(jīng)具備的觀念是：在水平面運動的物體,在摩擦力的作用下,會運動一段距離最終停下來.為了引入理想化方法,可以設(shè)計做這樣的實驗：讓滑塊從同一斜面的同一高度滑到表面粗糙程度不同的水平木板上(木板上分別鋪綢布、毛巾等),發(fā)現(xiàn)水平木板越光滑,滑塊滑得越遠(yuǎn).在這一可靠事實的基礎(chǔ)上,利用理想化方法,推理出假如木板絕對光滑,滑塊將做勻速直線運動.這種設(shè)計就是寓理想化方法教育于物理觀念教學(xué)之中.

3.2 物理學(xué)史理想實驗案例剖析中體會理想化方法

物理學(xué)的發(fā)展史也是一部科學(xué)方法的發(fā)展史,物理學(xué)史能夠為物理科學(xué)方法教育提供豐富多彩的材料.剖析物理學(xué)史理想實驗案例可以使學(xué)生更全面、系統(tǒng)地領(lǐng)略到科學(xué)家的理想化科學(xué)思維方法,體會物理學(xué)史上理想物理實驗在建立物理學(xué)理論的過程中發(fā)揮著重要的作用,可以引起學(xué)生對物理科學(xué)方法的興趣,激發(fā)學(xué)生探究、創(chuàng)新的欲望.例如,伽利略在研究物體的慣性運動時, 他是用理想實驗進(jìn)行論述的： 如圖1所示的光滑的圓弧形軌道, 一個小球從A點沿軌道下滑然后再滑上對接軌道, 它是可以到達(dá)相同的高度,如圖1(甲)所示.然后伽利略把對接的軌道改變形狀, 使得軌道的坡度越來、越小, 而小球仍然要滑上相等的高度, 那么小球的路程勢必越來越長,如圖1(乙)所示;伽利略進(jìn)一步推想, 當(dāng)這個對接的軌道變成一個坡度無限小的軌道( 即水平軌道) 的時候,如圖1(丙)所示,由于小球要滑上相等的高度, 就必然導(dǎo)致小球在水平的軌道上永遠(yuǎn)滑下去, 即小球不會停止運動, 從而證明, 小球就能維持原來的運動而不需要力來維持.牛頓在思索萬有引力問題時也設(shè)計了一個著名的理想實驗：拋體運動實驗.一塊石頭投出, 由于重力作用平拋最終落在地面.推想：投擲的速度越大, 它落地前走得越遠(yuǎn).進(jìn)一步理想化推想：我們可以假設(shè)當(dāng)速度增到足夠大,直到最后超出了地球的限度, 進(jìn)入空間永不觸及地球而成為衛(wèi)星.這個實驗在當(dāng)時的物質(zhì)條件下是無論如何不能實現(xiàn)的,牛頓在真實的拋體運動的基礎(chǔ)上, 發(fā)揮思維的力量把拋體的速度推到地球引力范圍之外.同樣愛因斯坦在創(chuàng)設(shè)狹義相對論和廣義相對論時, 也大量使用了理想實驗的方法.麥克斯韋1871年提出的“麥克斯韋妖”的理想物理實驗進(jìn)一步證明了熱力學(xué)第二定律的正確性,并且推動了信息科學(xué)和生命科學(xué)的發(fā)展.對學(xué)生進(jìn)行物理學(xué)史教育時,不僅要學(xué)生了解物理學(xué)發(fā)展過程中用到的理想化方法,還要學(xué)生能夠熟練掌握和應(yīng)用,發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維能力和創(chuàng)造能力.

圖1 伽利略理想實驗

3.3 理想物理模型的建構(gòu)中領(lǐng)悟理想化方法

對理想物理模型的建構(gòu),要指導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟到以下兩點：一方面要讓學(xué)生明確理想物理模型的概念、特點和目的.如質(zhì)點,概念是有質(zhì)量的幾何點;特點是有質(zhì)量、無尺寸,假想虛構(gòu)的;目的是用它代替現(xiàn)實中的實際物體,使問題難度降低和容易表述.對于學(xué)生,某一理想模型定義的本身并不重要,而明確引入它的目的卻十分重要,那就是簡化、快捷、突出本質(zhì).如無內(nèi)阻的理想電源、理想氣體、光滑表面、點電荷、磁感線等等,在教學(xué)的應(yīng)用中要經(jīng)常讓學(xué)生體會和感受它的目的性,更要讓學(xué)生知道,這種思維方法是簡潔的、高明的.另一方面,要引導(dǎo)學(xué)生正確理解理想物理模型的適用范圍.理想化方法具有較大的靈活性, 每種模型也有限定的運用條件和適用范圍, 把一個實際問題抽象成什么樣的模型,要具體問題具體分析,即使是同一客體, 在不同的研究中也可能需要抽象成不同的模型.如研究地球公轉(zhuǎn)時可以把地球視為質(zhì)點;可是研究地球的自轉(zhuǎn)時, 卻不能把地球當(dāng)作質(zhì)點.而在靜電平衡中,地球被看成帶電的球體.再如理想氣體是實際氣體在一定程度上的理想化模型,只有在壓強(qiáng)不太大、溫度不太低的條件下才可把實際氣體看作理想氣體來處理.因此,在物理教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生對具體問題具體分析,在理想物理模型的建構(gòu)中領(lǐng)悟理想化方法.

3.4 物理科學(xué)探究中體驗理想化方法

科學(xué)探究是新課程改革中的一大亮點,所提倡的探究學(xué)習(xí)就是一種融科學(xué)知識、科學(xué)方法于一身,鼓勵并促進(jìn)學(xué)生積極提出問題和探究解決方案的一種教育方式.科學(xué)探究包括7個要素：提出問題→猜想或假設(shè)→制定計劃與設(shè)計實驗→進(jìn)行實驗與收集證據(jù)→分析與論證→評估→交流與合作.科學(xué)探究過程蘊含著豐富的理想化方法知識,科學(xué)探究在理想化方法教育上具有獨特的優(yōu)勢,尤其新教材中設(shè)置了不少的探究實驗,可以讓學(xué)生體驗探究的過程中體驗理想化方法,能夠培養(yǎng)學(xué)生探索精神、實踐能力以及創(chuàng)新意識,從而提高他們的科學(xué)素質(zhì).例如,在“探究加速度與外力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗探究中,研究加速度a與F之間的關(guān)系時,也采用了理想方法來處理實驗.近似認(rèn)為掛在小車上的砝碼的重力就是小車所受到的拉力.其實這樣的忽略是有條件的.由受力情況得mg-F=ma,F=Ma,得到F=Mmg/(M+m),即當(dāng)M?m時,F才等于mg,我們在實驗中認(rèn)為F=mg是M?m情況下的近似.這種科學(xué)探究過程就是學(xué)生體驗理想化方法的最好途徑.

3.5 物理問題的解決中訓(xùn)練理想化方法

物理理想化模型能清晰反映問題本質(zhì),有利于分析和發(fā)現(xiàn)規(guī)律,在實際物理問題中幫助學(xué)生建立正確的理想化模型、訓(xùn)練理想化方法是提高學(xué)生分析問題和解決問題的重要途徑.在物理問題解決中訓(xùn)練理想化方法應(yīng)注意以下幾點：(1) 要讓學(xué)生明確我們所研究的任何一個物理問題,都可以用一定的理想化模型代替實際物體和實際過程,也就是采用理想化方法;(2) 要告訴學(xué)生我們對物理問題進(jìn)行理想化時,一定要抓住其本質(zhì)特征;(3) 要求學(xué)生運用理想化方法研究問題時,一定要“具體問題具體分析”,力戒絕對化,力爭用最簡單的模型進(jìn)行代替.

圖2 離心裝置

例如,2021年江蘇高考試卷第14題：如圖2所示的離心裝置中,光滑水平輕桿固定在豎直轉(zhuǎn)軸的O點,小圓環(huán)A和輕質(zhì)彈簧套在輕桿上,長為2L的細(xì)線和彈簧兩端分別固定于O和A,質(zhì)量為m的小球B固定在細(xì)線的中點,裝置靜止時,細(xì)線與豎直方向的夾角為37°,現(xiàn)將裝置由靜止緩慢加速轉(zhuǎn)動,當(dāng)細(xì)線與豎直方向的夾角增大到53°時,A、B間細(xì)線的拉力恰好減小到0,彈簧彈力與靜止時大小相等、方向相反,重力加速度為g,取sin37°=0.6,cos37°=0.8,求： (1) 裝置靜止時,彈簧彈力的大小F;(2) 環(huán)A的質(zhì)量M; (3) 上述過程中裝置對A、B所做的總功W.

訓(xùn)練學(xué)生分析本題以下理想物理模型：① 理想狀態(tài)模型：共點力平衡模型;② 理想條件模型：輕彈簧、輕繩模型;③ 理想物理過程模型：勻速圓周運動模型.分析題目得到以下信息：① 初態(tài)是A、B都是共點力平衡模型;② 末態(tài)B是共點力平衡模型,A是勻速圓周運動模型,初末狀態(tài)輕彈簧壓縮量和伸長量相等;③ 全過程是對AB及彈簧整體系統(tǒng)整體研究的功能轉(zhuǎn)換.

圖3 彈簧緩沖裝置

又例如,2012年江蘇高考試卷第14題“彈簧緩沖裝置”.原題：某緩沖裝置的理想模型如圖3所示,勁度系數(shù)足夠大的輕質(zhì)彈簧與輕桿相連,輕桿可在固定的槽內(nèi)移動,與槽間的滑動摩擦力恒為f.輕桿向右移動不超過l時,裝置可安全工作. 一質(zhì)量為m的小車若以速度v0撞擊彈簧,將導(dǎo)致輕桿向右移動l/4. 輕桿與槽間的最大靜摩擦力等于滑動摩擦力,且不計小車與地面的摩擦.若彈簧的勁度系數(shù)為k,求： (1) 輕桿開始移動時,彈簧的壓縮量x; (2) 求為使裝置安全工作,允許該小車撞擊的最大速度vm; (3) 討論在裝置安全工作時,該小車彈回速度v′和撞擊速度v的關(guān)系.

本題是緩沖裝置的理想物理模型,訓(xùn)練學(xué)生分析本題以下理想物理模型：① 理想條件模型：輕彈簧、輕桿模型;② 理想物理過程模型：系統(tǒng)機(jī)械能守恒模型.從而得出以下關(guān)鍵信息：① 當(dāng)彈簧彈力小于f時輕桿不動,是系統(tǒng)機(jī)械能守恒的理想模型;② 當(dāng)小車初動能過大,彈簧彈力達(dá)到f后,由于是輕桿理想條件模型,彈簧形變量不變,所以小車、彈簧、輕桿一起減速,系統(tǒng)機(jī)械能減少;③ 速度減小到0時,輕桿不動,彈簧將彈性勢能轉(zhuǎn)化為小車動能,小車反彈,又是系統(tǒng)機(jī)械能守恒的理想模型.

因此,我們只有在平時的物理問題的解決中不斷訓(xùn)練理想化方法,才能真正提高學(xué)生的能力,解決好實際問題.

4 結(jié)語

在高中物理教學(xué)中對學(xué)生進(jìn)行理想化方法的培養(yǎng)可以引導(dǎo)學(xué)生自己形成物理觀念,有助于學(xué)生提出問題并設(shè)想解決問題的方向;有助于激發(fā)學(xué)生探索的意向, 引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí);有助于發(fā)展學(xué)生的思維,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,提高學(xué)生核心素養(yǎng).