關于應用理想化方法建立物理理想模型的思考

羅金福

摘 要：應用理想化方法建立物理理想模型是物理學的重要手段。現行多數版本的高中物理教材中第一個理想模型質點都是作為第一個物理概念出現的，而多數教師認為質點的概念和知識是比較簡單，學生都能看懂，因此，在教學時往往沒有理解教材的編寫意圖一帶而過，導致教學效果不好。本文通過物理理想模型的概念和相關知識論證了教師應該從一開始，依托比較容易的知識出發，在傳授知識的同時培養學生的物理思維，讓學生認識到恰當的建立物理理想模型是學好物理學的一種科學方法。

關鍵詞：理想化方法 物理理想模型 質點

從物理學發展的歷史來看，建立理想模型，是簡化物理學研究的重要手段。在新課程改革以來，現行多數版本的高中物理教材中質點都是作為第一個物理概念出現的，因此，它是首要的、最基礎、最重要的物理概念。我們將由質點的教學開始去學習更多的物理知識和處理物理問題的科學方法，所以，結合質點知識的教學，培養學生用理想化方法去建立物理理想模型的思想和方法，是高中物理教學一個好的開端，它將是我們高中物理教學成功的一半。

一、物理理想模型的概念

所謂物理理想模型是根據所研究的物理現象的實際，從客觀存在的事物中抽象出來的一種簡單、近似、直觀的物理模型。具體地說，是對事物的各個物理因素加以分析、忽略與研究的問題無關或影響較小的因素，突出對問題起決定性作用的主要因素，從而把問題簡化，這一理想的抽象出來的物理模型，就是物理理想模型。

二、通過理想化方法建立質點模型

根據物理理想模型的概念，在研究物理現象的過程中，被研究的物體的大小、形狀在討論的問題中可以忽略時，我們就可以用一個有質量沒有大小的點來代替物體，這一個點就是物理學上通常所說的質點。如求一例火車由成都到上海所用的時間，此過程中火車的大小、形狀比起火車通過的路程完全可以忽略不計，因此，火車可以用一個質點來代替。這一模型的建立是保留了物體從成都運動到上海這一主要因素，忽略了物體大小、形狀這些次要因素的思維方法，就是物理學上所常說的理想化方法。具有質量，又沒有大小的物體是不存在的，但質點是我們從實際物理問題中為研究的方便科學的抽象出來的，被理想化了的研究對象，就是物理學上常說的物理理想模型。它是為了研究問題的方便，抓問題的主要因素，忽略次要因素而建立的。

三、物理理想模型是通過理想化方法的一種科學抽象

建立物理理想模型的一般原則是首先突出問題的主要因素，忽略問題的次要因素。按照高中物理新課程標準的要求，物理學是一門基礎自然科學，它所研究的是物質的基本結構、最普遍的相互作用、最一般的運動規律。因此，它所研究的對象、問題都是社會生活中鮮活的物體和事件，往往比較復雜，受諸多因素的影響，但有的是主要因素，有的是次要因素，為了使物理問題簡單化，也為了便于研究分析，我們往往把研究的對象、問題簡化為物理理想模型。因此，物理理想模型是一種通過理想化方法科學的抽象，主要表現在：近似性、局限性、相對性和抽象性四個方面。首先物理理想模型的近似性主要表現在任何一個理想模型都是以一定的客觀實體為基礎，它反映了事物的主要性質，在誤差允許范圍內完全能代替研究對象；其次任何物理理想模型都是在一定的條件下建立起來的，離開了相應的條件這一模型就不能使用，這就是理想模型的局限性；其三某個物體在不同的情況下，能否作為理想模型處理不是由物體本身決定的，而因研究問題的改變而變化的，這就是物理理想模型的相對性；其四物理理想模型與實體不同，它在實際生活中是不存在，是以實事為依據經理想化方法抽象出來的，這又表現了它的抽象性。例如我們研究火車從成都開往上海的運行時間這類問題時，由于火車的長度比成都到上海的距離小得多，這時我們可以不考慮火車的長度，可把火車看作質點，即質點是實際物體的一種抽象，是理想化的物理模型。其次物理理想模型要根據所研究問題的需要而定，并不是不變的，把一個實際問題抽象為什么樣的模型，要具體問題具體分析，即使同一研究對象，在不同的研究中也可能需要抽象成不同的模型。例如我們研究火車從成都開往上海的運行時間這類問題時，把列車可看作質點來處理，但若我們研究火車從成都開往上海的運行過程中通過某一座不太長的橋所需時間的問題時，火車的長度就不能忽略，火車就不能看作質點了。因此，解決物理問題選擇模型時，要綜合考慮所研究問題的目的、性質等，然后再做出選擇，不能隨意地把什么對象、什么條件、什么過程歸入某一種模型，應根據具體問題具體分析選擇相應的物理理想模型。

四、建立物理理想模型方法是物理學的一種重要方法

所有從事物理教學工作的人都知道在力、熱、電、光、原等各部分物理知識的學習和研究中物理理想模型的建立和應用是必不可少的。高中物理中理想模型大致可分為四類。第一類是，將物質形態自身理想化，如：質點、系統、理想氣體、點電荷、勻強電場、勻強磁場等等；第二類是，將所處的條件理想化，如：輕桿、輕繩、光滑、絕熱、絕緣等等；第三類是，將結構理想化，如：分子電流、原子模式結構、磁力線、電力線等等；第四類是，將運動變化過程理想化，如：勻速直線運動、勻變速直線運動，勻速圓周運動、拋體運動，簡諧振動，等溫、等容、等壓過程，穩恒電流等。可見物理理想模型的建立和運用涉及到高中物理知識的各個部分，整個高中物理教學過程的始終，是教師必須教好，學生務必掌握的一種重要方法。

多數教師認為質點的概念和知識是比較簡單的，學生都能看懂，因此，在教學時往往沒有理解教材的編寫意圖一帶而過，結果很多學生沒有真正理解質點的含義，不能準確和靈活的運用，更沒有通過理想化方法去建立物理理想模型的思想意識。這樣教師沒有理解教材編寫的目的，沒有及時把物理的重要思想和方法教給學生，使得學生學習方法不當，教學效果不好。因此，作為高中物理教師應該從質點這一比較容易的知識出發，從高中教學的第一節課開始站在學好物理學的高度，在傳授知識的同時培養學生的物理思維，隨著教學的深入讓學生理解并形成用理想化方法建立物理理想模型的能力，掌握學好物理學的一種科學方法。