例談理想化思維方法在物理教學中的運用

王麗娜

理想化方法是一種科學抽象，是研究物理學的重要方法，它是根據所研究問題的需要和具體情況，確定研究對象的主要因素和次要因素，保留主要因素，忽略次要因素，排除無關干擾，從而簡明扼要地揭示事物的本質，理想化方法，在自然科學中的應用主要是：設計理想實驗，建立理想模型.本文對理想實驗方法和理想模型方法，提出一些粗淺的看法.

一、理想實驗

所謂“理想實驗”，又叫做“假想實驗”、“抽象的實驗”或“思想上的實驗”，它是人們在思想中塑造的理想過程，是一種邏輯推理的思維過程和理論研究的重要方法.理想實驗方法是形成物理概念、建立物理規(guī)律的基礎；運用理想實驗方法，可以簡化和純化研究對象及其所處狀態(tài)和發(fā)展變化的過程，大大方便了對物理問題的處理；對于許多復雜的物理問題、可以先進行理想實驗，再對實驗所得出的結論加以適當的修正，以便于解決實際的物理問題.

1.理想斜面實驗.作為經典力學基礎的慣性定律，就是理想實驗的一個重要結論.伽利略用著名的理想斜面實驗，糾正了亞里斯多德“運動需要力來維持”的錯誤觀點，發(fā)現(xiàn)了力與運動關系的規(guī)律.伽利略所采用的理想實驗和科學推理的方法，得到了愛因斯坦高度贊揚：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應用的科學的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端.它是由考慮一個既沒有摩擦又沒有任何外力作用而永遠運動的物體的理想實驗而得來的，這個發(fā)現(xiàn)告訴我們，根據直接觀察所得出的直覺的結論不是常常可靠的，因為它們有時會引起錯誤的線索上去.”從這些例子以及后來的許多的例子中，我們認識到用思維來創(chuàng)造理想實驗的重要性.

2.關于運動時鐘延緩的研究.關于運動時鐘延緩的結論，愛因斯坦創(chuàng)立相對論時，是由一種理想實驗推導出來的，但到了 1971 年，美國的哈弗爾 （Hafel） 和凱丁 （keating） 作了實驗，他們把四只銫原子鐘放到飛機上，在赤道平面附近高速度向東及向西飛行，也就說相對于地球的速度不同，當飛機分別繞地球航行一周回到地面的出發(fā)點時，與一直靜止放在那里的銫原子鐘對時間，結果表明，處在向東飛行的飛機上的鐘，其讀數平均慢了 59 × 10-9，處在向西飛行的飛機上的鐘，平均快了 273 ×10-9秒，這種實驗結果與相對論理論計算值在 10% 的誤差范圍內完全一致.這個實驗，一方面檢驗了狹義相對論的正確性，另一方面也說明了人們已將前人理想實驗轉化成了真實實驗. 自然科學的理論研究中，理想實驗具有重要的作用，作為一種抽象思維的方法，可以進一步揭示出客觀現(xiàn)象和過程之間內在的邏輯聯(lián)系.對于推翻舊的不合理理論、建立新的正確理論，起著重要的推動作用.

3.單擺運動的研究.在研究單擺的運動規(guī)律時，高中教材上曾寫道：“在一根不能伸長、又沒有質量的線下端系一個質點”就是一個單擺.我們知道，在自然界中既不存在不能伸長又沒有質量的線，也不存在只有大小而沒有質量的質點.但是在我們研究單擺運動的過程中，單擺的質量和伸長是很微小的、是次要的，擺球的大小可以不考慮，介質阻力也可以忽略.

還有，我們得到的單擺周期公式中，很明顯，T與幅角無關，實際上通常情況下，單擺的運動不是簡諧運動、只有當擺角很小時（小于50時），單擺的運動才可以看作是簡諧運動.當擺角較大時，上面的公式需要加以修正.

單擺在實際生活中很有用，惠更斯在1656年首先利用單擺的等時性發(fā)明了帶擺的計時器（1657年獲得專利），由于單擺的周期可以通過改變擺長來調節(jié)，所以計時很方便，因此現(xiàn)在仍然應用在時鐘里.而且利用單擺的等時性還可以測定各地的重力加速度.

二、理想模型

理想模型是為了便于研究而建立的一種高度抽象的理想對象.作為科學抽象的結果，“理想模型”也是一種科學概念，但是它不同于一般科學概念.引入理想模型可以使問題的處理大為簡化，而又不會發(fā)生多大的偏差.對于比較復雜的研究對象，可以先研究它的理想模型，然后對研究結果進行修正，使它與實際的對象相符合.理想模型一般可分為對象模型、條件模型、過程模型等.

1.對象模型.所謂對象模型，就是用來等效代替研究對象實體的理想化模型 ，例如質點、彈簧振子、點電荷、理想變壓器、點光源、光線等都屬于對象模型.對象模型的建立，會使得我們解決問題大為簡化.如在研究地球繞太陽公轉時，忽略地球的自轉效應，我們把地球看作一個質點，就很簡單明了.

2.條件模型.把研究對象所處的外部條件理想化建立的模型叫做條件模型.如光滑表面、輕桿、細繩、均勻介質、勻強電場和勻強磁場等都屬于條件模型.在研究物體運動時，把所處的條件理想化，抓主要因素，同樣會使問題簡明化，而對其研究的結果影響又極其微小，它還會使得某些本來無法解決的問題得以解決.

3.過程模型.實際的物理過程都是有諸多因素共同作用的結果，忽略次要因素的作用，只考慮主要因素引起的變化過程叫做過程模型.例如，在空氣中自由下落的物體，在高度不大時，空氣阻力比起重力可以忽略不計時，可抽象為自由落體運動，這就是一個理想化的模型.勻速直線運動、勻變速直線運動、拋體運動、勻速圓周運動、簡諧運動、等溫過程、絕熱過程等都屬于過程模型.

在認識和理解物理模型時，應每種模型都有限定的適用條件和適用范圍.把一個實際問題構建成什么樣的模型，要具體問題具體分析.在物理學上，任何模型都是在特定的條件下構建起來的，這就要求我們在選擇模型時，要綜合考慮研究問題的目的、性質，然后再作出正確的抉擇.

參考文獻：

[1] 簡明物理辭典.1983（12）. 湖北人民出版社.

[2] 江守一郎.模型實驗的理論和應用. 科學出版社，1984（8）.

[江蘇省句容市實驗高級中學 （212400）]