高中物理教學(xué)中理想模型法初探

段美玲

（黑龍江省訥河市第一中學(xué) 黑龍江訥河 161300）

高中物理教學(xué)中理想模型法初探

段美玲

（黑龍江省訥河市第一中學(xué) 黑龍江訥河 161300）

挖掘高中物理教學(xué)中物理方法的作用。讓學(xué)生學(xué)習(xí)本文后進(jìn)一步了解學(xué)習(xí)物理過程中哪些基本概念屬于理想模型。

物理教學(xué) 理想模型法 初探

考查物理問題的方法，一定會(huì)成為今后物理教學(xué)重要話題和高考的熱點(diǎn)。高中教材的內(nèi)容，是根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)編寫的，它的主體當(dāng)然是物理學(xué)科的知識(shí)體系。然而科學(xué)方法也是探究問題補(bǔ)課缺少的內(nèi)容。

一、理想模型法是物理學(xué)中經(jīng)常使用的一種研究方法

特點(diǎn)是它把研究對象所具有的特征理想化，突出強(qiáng)調(diào)研究對象在方面的特征或主要特征，而有意識(shí)地忽略研究對象其他方面的特征或次要的特征。使用這種方法的根本目的在于，使人們能集中全力掌握研究對象在某些方面表現(xiàn)出的本質(zhì)特征或運(yùn)動(dòng)規(guī)律。事實(shí)證明，這是一種研究物理問題的有效方法，也是我們理解有關(guān)物理知識(shí)的基礎(chǔ)。光線、磁感應(yīng)線、質(zhì)點(diǎn)、力的示意圖、彈簧振子、單擺、理想氣體、鋼體、點(diǎn)電荷、電路圖、將撬棒看做杠桿都是理想化。[1]

作為科學(xué)抽象的結(jié)果，理想模型也是一種科學(xué)概念，廣泛應(yīng)用在各門科學(xué)中。例如，數(shù)學(xué)中的“點(diǎn)”，沒有粗細(xì)的“線”，沒有厚度的“面”；物理學(xué)中的單擺，“理想氣體”，“點(diǎn)電荷”等；在化學(xué)和生物學(xué)中也有類似的理想模型。這些理想模型都是以客觀存在為原型的。作為抽象思維的結(jié)果，它們也是對客觀事物的一種反映。在自然科學(xué)的研究中，理想模型的建立，具有十分重要的意義。由于客觀事物具有質(zhì)的多樣性，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律往往是非常復(fù)雜的，不可能一下子把它們認(rèn)識(shí)清楚。引入理想模型的概念，可以使問題的處理大為簡化，從而便于人們?nèi)フJ(rèn)識(shí)和掌握并應(yīng)用它們。

二、“理想實(shí)驗(yàn)”同真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)是有原則區(qū)別的

真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)是一種實(shí)踐的活動(dòng)，而“理想實(shí)驗(yàn)”則是一種思維的活動(dòng)；前者是可以將設(shè)計(jì)通過物化過程而實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，后者則是由人們在抽象思維中設(shè)想出來而實(shí)際上無法做到的“實(shí)驗(yàn)”。

但是，“理想實(shí)驗(yàn)”并不是脫離實(shí)際的主觀臆想．首先，“理想實(shí)驗(yàn)”是以實(shí)踐為基礎(chǔ)的．所謂的“理想實(shí)驗(yàn)”就是在真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，對實(shí)際過程作出更深入一層的抽象分析．其次，“理想實(shí)驗(yàn)”的推理過程，是以一定的邏輯法則為根據(jù)的．而這些邏輯法則，都是從長期的社會(huì)實(shí)踐中總結(jié)出來的，并為實(shí)踐所證實(shí)了的。在自然科學(xué)的理論研究中，“理想實(shí)驗(yàn)”具有重要的作用．作為一種抽象思維的方法，“理想實(shí)驗(yàn)”可以使人們對實(shí)際的科學(xué)實(shí)驗(yàn)有更深刻的理解，可以進(jìn)一步揭示出客觀現(xiàn)象和過程之間內(nèi)在的邏輯聯(lián)系，并由此得出重要的結(jié)論。例如，作為經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)的慣性定律，就是“理想實(shí)驗(yàn)”的一個(gè)重要結(jié)論。這個(gè)結(jié)論是不能直接從實(shí)驗(yàn)中得出的。伽利略曾注意到，當(dāng)一個(gè)球從一個(gè)斜面上滾下而又滾上第二個(gè)斜面時(shí)，球在第二個(gè)斜面上所達(dá)到的高度同它在第一個(gè)斜面上開始滾下時(shí)的高度幾乎相等。伽利略斷定高度上的這一微小差別是由于摩擦而產(chǎn)生的，如能將摩擦完全消除的話，高度將恰好相等。然后，他推想說，在完全沒有摩擦的情況下，不管第二個(gè)斜面的傾斜度多么小，球在第二個(gè)斜面上總要達(dá)到相同的高度。最后，如果第二個(gè)斜面的傾斜度完全消除了，那么球從第一個(gè)斜面上滾下來之后，將以恒定的速度在無限長的平面上永遠(yuǎn)不停地運(yùn)動(dòng)下去。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橛肋h(yuǎn)也無法將摩擦完全消除掉。所以，這只是一個(gè)“理想實(shí)驗(yàn)”。但是，伽利略由此而得到的結(jié)論，打破了自亞里士多德以來二千多年間關(guān)于“受力運(yùn)動(dòng)的物體，當(dāng)外力停止作用時(shí)便歸于靜止”這一類的陳舊觀念，為近代力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。后來，這個(gè)結(jié)論經(jīng)過牛頓進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)和科學(xué)推理總結(jié)為牛頓第一定律，也就是慣性定律。

三、高中物理教學(xué)中的理想模型法實(shí)例

法拉第在1852年，對帶電體、磁體周圍空間存在的物質(zhì)，設(shè)想出電場線、磁場線一類力線的模型，并用鐵粉顯示了磁鐵周圍的磁力線分布形狀，從而建立了場的概念，對當(dāng)前的傳統(tǒng)觀念是一個(gè)重大的突破。盧瑟福也在1911年構(gòu)思出原子的核式結(jié)構(gòu)模型。用理想化模型代替客觀原型的研究方法就是“理想模型法”。它又分為“理想實(shí)驗(yàn)法”和“理想模型法”。例如，我們在研究真空能否傳聲的時(shí)候，將一只小電鈴放在密閉的玻璃罩內(nèi)，接通電路，可清楚的聽到鈴聲，用抽氣機(jī)逐漸抽去玻璃罩內(nèi)的空氣，聽到鈴聲越來越弱，這說明空氣越稀薄，空氣的傳聲能力越弱。實(shí)驗(yàn)中無法達(dá)到絕對的真空，但可以通過鈴聲的變化趨勢，推測出真空不能傳聲，這與牛頓第一定律的建立過程是非常類似的，這屬于理想實(shí)驗(yàn)法。如果教師在教學(xué)中注意很好地滲透這一方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思想，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。在高中教材中，我們熟悉的理想化模型有：質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、光線、磁感線等等。正是引入了這些理想化的物理模型，才得以使我們面對許多復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問題，通過簡化處理能夠比較順利地予以解決。我們也常常運(yùn)用理想化方法，對于某些問題可以通過尋找和建立合適的理想化模型來處理，即將研究對象、條件等理想化，以達(dá)到化繁為簡的目的。總之，在高中物理教學(xué)中，蘊(yùn)含著許多科學(xué)方法，我們既不能視而不見的忽視它，又不能唯方法講方法，要時(shí)時(shí)做有心人，把握時(shí)機(jī)，把科學(xué)方法滲透到教學(xué)活動(dòng)中，恰當(dāng)點(diǎn)撥，就能不斷提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，讓學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)的本質(zhì)，培養(yǎng)他們的科學(xué)思想以及創(chuàng)新思維，提高他們的科學(xué)素質(zhì)。

[1]張憲魁,秦曉文.物理科學(xué)方法教育理論與實(shí)踐[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,2015:5.