構建物理理想模型的意義

朱碧瑩

【摘要】構建理想化模型是處理物理問題常用的方法。在處理實際問題過程中，如何構建模型最接近于實際效果，是處理問題的關鍵.通過習題分析，了解構建模型的具體思路和方法，能起到事半功倍的作用。

【關鍵詞】物理模型

中圖分類號：G633.7

縱觀物理學發展的歷史，建立理想化模型，是簡化物理學研究的重要手段。隨著物理學的發展，物理模型越來越受到人們的重視，它促進了物理規律、理論的發展，推動了物理學向新的領域擴展。

一、什么是理想化模型

它是根據所研究的物理問題的需要，從客觀存在的事物中抽象出來的一種簡單、近似、直觀的模型。具體地說，是對事物的各個物理因素加以分析、忽略與問題無關或影響較小的因素，突出對問題起作用較大的主要因素，從而把問題簡化，這一理想的抽象模型，就是理想化模型。

二、理想化模型的特征

理想化模型主要具有4個特征：近似性、抽象性、局限性和相對性。模型的近似性主要表現在任一理想化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。另一方面模型與實體不同，它在實際生活中不存在，這又表現了它的抽象性。任何理想化模型都是在一定的條件下建立起來的，離開了這一條件這一模型就不能使用.這就是理想化模型的局限性。某個事物在不同的情況下，如同一物體在這個問題中可視為質點.而在另一間題中則不能作質點處理，這就是理想化模型的相對性。

三、建立理想化模型的原則

建立理想化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。物理學是一門自然學科，它所研究的對象、問題往往比較復雜，受諸多因素的影響。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，忽略次要的因素，抓住主要的因素，建立理想化的模型。其次理想化的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。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。

四、理想化模型方法的作用

1、推動物理學發展

由于受人們認識水平和時代科技水平的限制，理想化模型不可能全面地反映原型，所以如果提出的理想化模型不能說明新觀察到的現象，或與新的實驗事實有矛盾，就需要對這個理想化模型進行補充、修正、甚至否定，提出新的理想化模型，再由實驗檢驗。在這一發展過程中，理想化模型對原型的近似程度得到了提高。

理想化模型是在物理學的發展過程中逐漸建立的。如1897年湯姆遜發現了電子，鑒于原子呈電中性，他提出了原子的“棗糕”模型。這個模型能解釋一些實驗事實，但沒過幾年就被新的實驗事實否定了。1909年盧瑟福及蓋革等人做的a粒子散射實驗，其結果根本無法用湯姆遜模型解釋。1911年盧瑟福為解釋a粒一子散射實驗的結果，提出了原子的核式結構模型。這個模型很好地解釋了a粒子的散射實驗，初步建立了原子的結構的正確圖景。建立核式模型，雖然只是科學家建立理想化模型的一個例子，但它反映了建立理想化模型的一般方法。實驗觀察是建立理想化模型的基礎，抽象分析和形象想象是建立理想化模型的基本手段，觀察、分析、抽象、想象是建立理想化模型的一般方法和過程。

縱觀物理學發展史，許多重大的發現與結論，都是由科學家們經過大膽的猜想構思，創建出科學的理想化的物理模型，并通過實驗檢驗或實踐驗證，模型與事實基礎很好吻合的前提下獲得的。倘若離開了物理模型，不僅物理研究無法進行，而且對物理學科的縱深發展必然會起阻礙束縛的作用。

2、促進物理教學

物理模型的提出與發展揭示了物理概念的進化與形成；所以模型方法也就成為理解物理概念的基本思路。如物理學中的專用或通用名詞“物質”或“物體”是沒有形態和大小的是各種物質或物體的抽象，可視為物理學的語言模型。電學中的庫侖定律只適用于真空中的點電荷模型。幾何光學反射，折射定律則是因為建立了“光線”“點光源”“平滑的反射面，折射面”這些光學模型后方才得出的等等。解答物理習題亦可以說是應用模型方法的過程?；舅悸反篌w如下：分析題意，確定對象的理想化模型，察看對象所處環境，確定過程的理想化模型，然后將物理模型轉換為相應的數學模型，推出結果。

3、教師在教學過程中要重視對學生建模意識的培養

理想的物理模型，既是物理科學體系中光輝的典范，也是解決現實物理問題不可或缺的依據，其重要性不言而喻。所以，教師在傳授知識的過程中，要根據實際課時的內容安排，及時向學生強調基本物理模型建立的過程和條件，并要求學生牢固把握住這些基本的物理模型，并且在具體應用解決物理問題時，引導學生如何根據題設條件，從物理規律出發，通過分析、綜合、類比等，突出對所要研究問題起主要作用的因素，略去非本質的次要因素，使思維從紛繁復雜的具體問題中抽象、構造出我們熟悉的物理模型，然后應用掌握的相關知識予以解決。當然，對學生這種能力的要求并非一朝一夕就能培養出來的，需要教師把這種建模意識貫穿在教學的始終。

2 、物理理想模型的作用

（1）培養學生正確的科學思維方法：中學物理教學中培養學生正確的思維方法是提高物理思維能力的基礎，不同階段物理學習思維方法有不同要求和特點，對此特點和規律的掌握直接影響學生物理思維的發展和學習的效果，因此引導學生建立和運用正確的思維方法很重要。在物理教學過程中對理想物理模型的建立和分析過程就是科學的思維方法培養和建立過程。

（2）理解物理學中的難點：中學物理教材中有許多物理知識比較抽象難懂，學生不容易理解和掌握，理想物理模型就是科學抽象方法的一種形式，它是以客觀實體為原型經過科學抽象的產物，是客體主要特性的反映。通過物理理想模型教學，突出問題的主要因素、約化次要因素，使物理問題化繁為簡、化難為易，易于學生理解和掌握物理研究對象的本質特征及其規律。

（3）形成科學的預見：由于理想模型的抽象過程中舍去了大量的次要因素，突出了事物的主要特性，這就便于發揮邏輯思維的能力，從而使得研究結果能夠超越現有條件，指導研究的方向，形成科學的預見，得到重要的物理規律。

4、結論

理想物理模型在物理學研究和教學中有著非常重要的作用，它是學生學習物理知識的基石。同時，理想物理模型也貫穿于整個中學物理教材的各部分內容中，學生對一些重要物理知識、規律的掌握、理解及其思維能力的培養都建立在對理想物理模型的掌握和理解之上。所以，中學物理教學過程中的各個階段都要特別注重對學生理想模型的建立、理解、掌握的基本思路、基本方法的培養和訓練。endprint