“理想化”的教學(xué)方法

張萍

高中學(xué)生普遍反映物理難學(xué)，為了降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度，就要求教師在教學(xué)中突出重點(diǎn)，抓主要因素，運(yùn)用簡捷思維，解決復(fù)雜的教學(xué)內(nèi)容。如何能達(dá)到這個(gè)目的，我提出“理想化”教學(xué)方法與大家分享。

1.物質(zhì)性模型

將物質(zhì)性研究對(duì)象抽象為一個(gè)相關(guān)的理想模型。具體模型如：質(zhì)點(diǎn)、理想氣體、點(diǎn)電荷、原子模型、光子等，這種將物理研究對(duì)象模型化的優(yōu)點(diǎn)是盡可能地剔除次要因素，突出主要因素，從而為研究和獲得主要規(guī)律開辟道路。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是模型可以使被研究對(duì)象的物理圖像顯得鮮明和確切。

如質(zhì)點(diǎn)模型就是將具有一定質(zhì)量的物體在體積上被抽象為點(diǎn)。這種只有質(zhì)量而沒有大小和形狀的點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是避開轉(zhuǎn)動(dòng)問題，較為容易地獲得了物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。當(dāng)然，質(zhì)點(diǎn)的概念是相對(duì)的，不管物體的本身絕對(duì)尺寸怎樣，只要是與所涉及的運(yùn)動(dòng)范圍相比，其自身的限度可以被忽略時(shí)，該物體就可以抽象為質(zhì)點(diǎn)。例如，地球的直徑約為1.27×107m，比起它繞太陽公轉(zhuǎn)的平均距離（1.5×1011m）小得多，這樣在研究地球的公轉(zhuǎn)問題時(shí)就可以把地球抽象為質(zhì)點(diǎn)。但當(dāng)我們研究地球的自轉(zhuǎn)時(shí)，由于地球上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況不同，此時(shí)就不能把地球抽象為質(zhì)點(diǎn)。

2.概念性模型——力

力是指物體間的相互作用，如重力、彈力、摩擦力、靜電力等，是一個(gè)在物理學(xué)中隨處可以遇到的概念。用一個(gè)有方向、有大小的線段來表示，力不僅有方向，而且有大小，在運(yùn)算時(shí)要遵從平行四邊形法則。

一般情況下，學(xué)生對(duì)定義條文容易記憶，但是在理解和掌握概念上則往往吃不透，如電流的概念是指電荷的定向移動(dòng)，對(duì)導(dǎo)線中某一被選定的橫截面來講，如果大量的電荷沿選定的正方向或沿相反的負(fù)方向通過導(dǎo)線截面時(shí)，則電流的方向也將有正負(fù)的改變。總有一部分學(xué)生認(rèn)為電流是矢量，其錯(cuò)誤在于教條地死記硬背定義“有方向和大小的量是矢量”，沒有理解到有方向特性的矢量計(jì)算時(shí)應(yīng)遵從平行四邊形法則。這里電流的方向與矢量所指的方向是兩個(gè)根本不同的概念，電流的方向是指以導(dǎo)線的循引方向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，非正即負(fù)，所以它是標(biāo)量而不是矢量。

3.彈簧振子模型

這類模型的特點(diǎn)是在不同的時(shí)刻，系統(tǒng)的振動(dòng)狀態(tài)各有差異，但是都以一定的時(shí)間間隔為周期做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。一般來說，振動(dòng)現(xiàn)象不僅種類繁多，彼此各有差異，振動(dòng)規(guī)律也比較復(fù)雜。但是我們能夠在各具特色的振動(dòng)系統(tǒng)中，從普遍存在的通性里面找出共同的核心作為研究對(duì)象，就完全可以使復(fù)雜的問題簡單化。各種振動(dòng)系統(tǒng)都存在一定的質(zhì)量，也都具有一定的彈性，這就是共性。可以設(shè)想一個(gè)完全沒有彈性形變的硬質(zhì)小球?yàn)檠芯繉?duì)象，將彈性和形變的特性全部集中在彈簧上，又可以設(shè)想彈簧的質(zhì)量較輕，可以被忽略，這樣將整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量全部集中到硬質(zhì)小球上。

為了略去重力對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的影響，可以設(shè)想彈簧一端固定，另一端系硬質(zhì)小球，并且置于光滑水平面上，像這樣一個(gè)被理想化了的模型就是彈簧振子模型。以這個(gè)模型作為研究對(duì)象，就可以比較容易地獲得振動(dòng)系統(tǒng)的回復(fù)力與位移成正比且反向的動(dòng)力學(xué)方程F=-kx和振子隨時(shí)間變化的關(guān)系：x=Asin（wt+φ）。

4.復(fù)雜物理過程的物理模型

對(duì)于較復(fù)雜的物理過程，往往可以分為若干個(gè)不同的物理過程或遵從不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律的階段。如碰撞問題，可以分為碰撞前、碰撞過程中和碰撞后三個(gè)階段，每個(gè)階段各有不同的物理特征，各自對(duì)應(yīng)著不同的物理模型。當(dāng)然每個(gè)階段所遵從的物理規(guī)律也不相同。因此，對(duì)復(fù)雜的物理過程，只要能夠抓住不同階段的物理特性，并能選用恰當(dāng)?shù)睦硐牖椒ǎㄑ芯繉?duì)象的理想化和物理過程的理想化，就可以使復(fù)雜的問題變得簡單明確。

5.物理過程的理想化研究方法

作為理想化的研究方法，除了上述列舉的模型化方法之外，還有使物理過程被理想化的研究方法。

動(dòng)力學(xué)的中心內(nèi)容就是描述物體的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如各種勻速和勻加速，包括自由落體和豎直上拋運(yùn)動(dòng)。以勻速運(yùn)動(dòng)為例，表達(dá)式可以簡單地寫成x=vt，公式中的v從數(shù)學(xué)的角度來看是不變的比例恒量，公式表述了在一條直線上質(zhì)點(diǎn)所通過的位移與時(shí)間成正比關(guān)系。怎樣才能實(shí)現(xiàn)這種勻速直線運(yùn)動(dòng)呢？困難之一就是人們雖然可以使運(yùn)動(dòng)過程中存在的摩擦力盡量的減小，但是無法完全消滅。

人們可以在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上作如下的推論：如鉛球在沙地上滾動(dòng)可以很快停下來。若鉛球在水泥地面上滾動(dòng)時(shí)，會(huì)減速較慢，滾動(dòng)的距離也較遠(yuǎn)。若鉛球在冰面上滾動(dòng)，減速會(huì)更慢，滾動(dòng)的距離也會(huì)更遠(yuǎn)。可以設(shè)想，如果能夠消滅摩擦力的影響，即在這種理想化的極限狀態(tài)下，物體將會(huì)做不減速的勻速直線運(yùn)動(dòng)。牛頓第一定律所講的慣性運(yùn)動(dòng)——?jiǎng)蛩僦本€運(yùn)動(dòng)就是在上述邏輯推理過程中獲得的，并非客觀實(shí)際存在。而這種邏輯推理過程正是借助于物理過程的理想化——摩擦力為零——而獲得的。由此可見，物理過程的理想化方法對(duì)人們尋求和認(rèn)識(shí)物理現(xiàn)象的內(nèi)在本質(zhì)規(guī)律提供了一種有效的方法。

總之，在物理教學(xué)中，被理想化了的物體、系統(tǒng)或過程是很多的，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是引進(jìn)各種理想模型和辦法是一種非常重要的研究方法，目的是突出事物的本質(zhì)因素，也只有這樣才能比較容易地獲得研究成果，使學(xué)生易于接受。

（作者單位：遼寧省本溪市高級(jí)中學(xué)）