理想模型在物理學中的應用

馮君生 黨婕

理想模型，作為物理學家推導、建立許多的定理和公式的重要依據之一，對整個物理學的研究與學習起到了極其重要的作用。無論在解決理論問題方面，還是在實際測算領域，理想模型都是一個重要的工具。所以，引導初學者經歷這樣一個漸進的過程：初步接觸、理解、應用乃至深度應用物理學中的理想模型。尤其是對于電動力學的初學者而言，毫無疑問，這是電動力學教學過程中的重要一環。

一、理想模型在電動力學中的應用

電動力學中有著許許多多的理想模型，下面就舉出幾個電動力學中模型的例子。

1.點電荷

某個空間內，存在著兩個相互作用的帶電物體，而這兩者之間相隔的距離遠遠大于兩個電荷的線度時，往往為了研究的簡便和單一性，我們把電荷理想成一個點電荷——這個點電荷的大小線度近乎為零，形狀也不足以會影響兩者作用結果，或者說，此時把它近似地看做一個帶電的純幾何點。這樣的近似模型，就是一個很簡單的理想模型。

點電荷有時會被認為是指幾何線度無限小即縮成幾何上的點的電荷，實際上并非如此。所謂點電荷并非是指幾何線度無窮小，而是其形狀與電荷在帶電體中的分布對所研究的問題已無關緊要。

點電荷這種理想模型是實際帶電體的抽象和近似。它使許多復雜多樣的實際問題分解或者簡化為某種基本問題。例如：洛倫茲力公式推導建立、試驗電荷的引入以及帶電體產生的電場和帶電體之間相互作用的定量研究等。

2.電場線以及磁感應線

為形象地描述出某種物質的形狀、特征，英國物理學家法拉第人為畫出一些有著特殊形狀的曲線，以便研究的實體形象化，這便是電場線與磁感應線產生的原始目的。

在研究電場過程中，電場線被畫出，作為電場分布形象描述的輔助工具。在電場線描述的電場中，一些物理量被合理地解釋和適當地理解，如場強等等。電場線也是一個理想模型，它實際上并不存在。

磁感應線與電場線十分相似，磁感應線也是假象出來，用作描述磁場分布的空間曲線簇，人們借助磁感應線更加形象地理解磁場中的相互作用和發生的一切變化。

二、理想模型在電動力學教學中的作用

1.理想模型形成了電動力學相關概念建立物理規律的基礎

電動力學的主要目的是探索電磁場中各種粒子最基本的運動形態、粒子結構及相互作用，要達到這種目的，必須得出反映微觀粒子運動過程在一定條件的物理規律，并要求在此基礎上形成系統嚴密的電動力學理論，而由于微觀世界粒子的復雜性和多樣性，完全按照物理客體的本來面目進行研究，問題將變得很復雜，很難得出定量物理規律和系統的物理理論，這就要求對其進行抽象，得出能反映粒子客體本質屬性的理想模型。

理想模型是電動力學規律、理論與客觀世界之間的中間環節，所以說，理想模型是電動力學規律和理論賴以建立的基礎。

2.理想模型所得出的結論具有較強的適用性

在構建電動力學理想模型時，雖然忽略了一些次要因素，但由于保留了影響物理性質的主要因素，因而得出的結論具有適用性，其結果雖然有其近似的一面，但物理學家們只要對這些結論進行適當修正，便可與實際物理過程較好地符合。

三、高中物理教學當中理想模型的應用

物理作為我國素質教育中的一部分，在高中物理教學中，物理知識都是一些比較抽象的規律和定律，對于這些抽象化的知識，如果老師只是一味地講述，學生在學起來就會顯得比較吃力。理想模型是為了便于研究而建立的一種高度抽象的理想客體，在高中物理教學中，能夠將抽象化的知識簡單化，從而便于學生掌握，保障教學質量。

1.提高學生對知識的掌握能力

在我國高中物理教學中，物理知識都是一些比較抽象的東西，許多物理概念是反映物理現象和過程本質屬性的思維。利用理想模型，根據教學內建立相應的模型，通過模型來將抽象的概念實體化、簡明化，從而提高學生對知識的掌握能力和理解能力。例如，某高中教師在講解牛頓定律的時候，老師為了加深學生對知識的了解，利用多媒體技術建立這樣一個模型：兩個水平面，其中一個水平面上鋪設毛巾，兩分塊木頭別置于兩個不同的平面上，用力推木頭，木頭向前滑動，當推力停止時，木頭就會停下。通過這樣的模型來加深學生對牛頓定律的了解與認識，同時也活躍課堂氛圍，提高學生學習的積極性。

2.提高學生的科學素質

理想模型是根據物理規律客觀存在的特性進行模型建立，通過模型可以簡化知識，在一定條件下，作為一種近似，可以把實際事物當作模型來處理，從而揭示物理規律的處理問題的方法。例如，在某高中物理教學中，在研究天體運動這一知識時，老師利用計算機技術，將天體運動的軌跡通過模型建造來進行表述，通過簡化天體運動這一抽象的知識，學生通過模型了解到天體運動的軌跡是橢圓運動，從而加深學生對知識的掌握，同時橢圓運動又與數學有著密切的關聯，通過模型建造不僅可以提高學生的科學素質，還可以達到一舉多得的教學效果。

物理作為一門抽象化的學科，在我國高中階段，學生對抽象化的物理知識較為難以理解和掌握。同時在我國當前社會發展形勢下，社會對人才的需求日益膨脹，高中物理作為我國素質教育中的一部分，保障其教學質量有著重要意義。隨著教學方法種類的增多，理想模型作為一種教學方法已經被普遍地應用于我國當前素質教育中。將理想模型應用于我國高中物理教學中，通過建模，將物理知識理想化、簡單化、實體化，能夠有效地提高學生對知識的掌握，提高學生的學習興趣，保障物理教學質量。

編輯 溫雪蓮