談理想化方法在物理教學中的作用

鄭春愛

摘? ?要：理想化方法是物理學研究的一種基本方法，是科學抽象的一種形式，在透過現象抓住本質，簡化過程揭示規律，超越現有條件提出科學預見中起著十分重要的作用。本文闡述用理想化方法建立理想物理模型、設計理想實驗，通過理想化方法在教學中的運用幫助學生理解抽象的物理概念和規律，提高他們的邏輯推理能力和科學想象力，培養他們的創新精神。

關鍵詞：理想化方法;物理教學應用;物理模型;理想化實驗

1? 理想化方法是科學抽象的重要方法

觀察和實驗是支撐物理學研究的基礎，也是在物理教學中需要著重培養的兩個能力，雖然這兩點十分重要，但是我們更應充分注意到理性的加工和科學的抽象能夠將觀察得來和實驗總結出來的感性材料從表面性、偶然性和非本質性的一些因素中抽離出來，將事物內在核心、必然性的本質因素表現出來，才能揭示出事物運動變化的規律[ 1 ]。16世紀丹麥天文學家第谷，作了30年的精密的天文觀測，積累了大量的行星運動的感性材料，但由于他不善于進行科學抽象，直至去世也沒有找到行星運動的規律。而他的學生和助手，年輕的德國科學家開普勒，把他留下來的大量天文觀察資料進行整理，經過去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里的科學抽象，發現了著名的開普勒行星運動三定律?？梢姡茖W抽象在認識自然規律中具有非常重要的意義。

理想化方法就是典型的科學抽象方法，雖然十分常見，但是行之有效。理想化方法以切實基礎為根本，以客觀事物為原型，抓住主要因素、忽略次要因素;將現實中的客體和條件轉換成理想狀態下的客體和條件，實驗前的設想、實驗過程中的推導以及試驗后的論證，都可以從不同角度將事物本質發掘出來，總結出事物本質的運動形式、方法和規律[ 2 ]。

在初中物理課本中改造后的伽利略斜面實驗的推論就是應用理想化方法的實例。實驗是這樣的，讓同一輛小車從某斜面的同一高度滑下，分別進入毛巾平面、棉布平面、木板平面;隨著平面對小車摩擦阻力的減小，小車的運動距離在增大。因此我們可以推論：小車在越光滑的平面上，受到的摩擦阻力越小，小車的運動距離就越遠;若阻力為零則小車將永遠運動下去。這里“平面上不受力的小車”就是理想狀態下的客體，而事實上小車會受到來自空氣以及其他方面的摩擦力和阻力，這才是現實的客體;絕對水平和光滑的平面也是理想狀態才存在的條件，它們代替現實的條件（平面不可能絕對水平、光滑），用理想化的過程（小車在絕對光滑的平面上，不受任何阻力的運動）代替現實的過程（小車在不絕對光滑的平面上，受阻力的運動），證明了運動是物體的固有屬性，這種思維多么精辟、多么富有創造性啊！16世紀的伽利略正是運用了這種理想化的方法，推翻了禁錮人們思想達二千多年的亞里士多德貌似正確而與人們直覺印象符合的“力是物體運動原因”的錯誤論斷，使人們的認識產生了一次飛躍，思想得到了一次解放。

2? ?理想化方法在物理教學中的應用

2.1? 用理想化方法建立理想物理模型

在進行物理學研究時經常會采取物理模型法，這也是教學過程中最普遍的科學方法，用理想化方法建立物理模型的例子是很多的。比如：“質點”就是理想化的物理模型。質點是一種忽略了物體的形狀大小，只考慮質量（這里突出了質量這個主要因素而撇開了大小、形狀等次要因素，用理想客體代替了現實客體）;實際物體都有一定形狀和大小，但如果物體上各點的運動情況基本相同或者物體的線度比物體間的距離小得多時，就可以將物體系統內部的運動造成的細微差別忽略，從而將物體視為質點，忽略次要因素簡化了研究問題，但并不影響結果。又如：“剛體”是也是一種理想化的物理模型。如果物體受到外力或者外界作用，一定會發生形變，性狀、大小等屬性發生變化，但在許多情況下物體本身的這種變化對我們所研究的問題造成的誤差可以忽略不計。將物體視為剛體也起到了簡化問題的作用，也并不會影響實驗結果。

物理模型可分為模擬式模型和理想化（實體、系統、過程）兩種模型，前者起到了具象化實際存在但過于抽象或者無法直接通過感官感受到的事物，這樣能夠更好的進行特點分析和規律總結。如：電場線、磁場線、理想氣體分子模型等等;后者是將研究對象抽象為理想形態而便于進行研究，它重視的是問題的內在，以性質和其他突出因素為重點，忽略次要、局部和偶然的一些因素，這樣建立起的物理模型和實際相比差距很小。如：單擺、理想氣體等等，都是理想化實體模型的例子。而絕熱系統、孤立系統、封閉保守系統等是理想化系統模型的例子;可逆循環過程、準靜態過程等都是理想化過程模型的例子[ 3 ]。

學生在對每一個物理模型的構成和性質進行分析的過程中，都是綜合分析能力、抽象思維能力的培養過程，在這個過程中一個科學完整的物理模型在學生心中逐漸清晰。解題時常說的“明確物理過程”，其根本就是讓學生抓住物理模型的本質，通過準確的物理模型發現問題的本質。例如，在研究太陽系中行星公轉時，可以將行星作為質點考慮;在研究地球自轉時，由于地面上不同位置的向心加速度不同，就不能再把地球當作質點，但可把它看成剛體。下面舉一個借助物理模型進行解題的例子：

跳水運動員在完成10m跳臺跳水動作時，首先從平臺向上跳躍，雙臂垂直上舉，身體離開臺面，此時運動員的重心在整體的中點;起跳后重心升高0.45m，此時中心最高，身體垂直水面落水，手部先接觸水面（過程中不考慮運動員水平方向運動）。運動員從臺上躍起的一瞬間直到手部接觸水面的一瞬間，他在空中可以完成整套動作的時間為多少s。

當然我們還必須注意到人們對客觀事物的認識層次達到一定高度，才會構建“物理模型”;隨著研究的深入，認識層次也會更高，原有的模型往往要被修正，甚至被否定。比如關于原子結構，就先后出現過幾種模型：有1903 年電子發現者湯姆遜提出的原子均勻結構模型;有1911年盧瑟福提出的原子核式結構模式;有1913年玻爾提出的“玻爾軌道”理論等。知識是沒有邊界的。物理模型永遠都不會是完美的，因此我們不能停止對一切物理模型的不斷探索和完善。

2.2? 用理想化方法設計理想實驗

所謂“理想實驗”，就是人們設想一個理想化的條件，把物體的運動置于理想化的狀態中，去研究其規律的一種理想過程。它是在真實的科學實驗的基礎上，運用理想化方法，對實際過程中的抽象分析要更加透徹和深入，邏輯法則是整體過程中的基礎和依據。

理想實驗是理論研究的最重要途徑，科學史上利用理想實驗獲得真理和成果的案例不在少數，伽利略的“斜面實驗”、愛因斯坦“閃電實驗”……這樣的案例不勝枚舉。

讓兩個斜面連接起來，如果小球從一個斜面滾動下來，在忽略阻力的前提下會滾上另一個斜面達到同樣的高度;隨著第二個斜面傾角的減小，小球為了達到同樣的高度會滾動更長的距離;那么如果繼續減小第二個斜面的傾角直到傾角為0°，那么小球永遠無法滾動到同樣高度，也就說明要無限朝前滾動轄區。（現實中這樣的實驗是永遠不可能實現的，因為物體不受外力是絕對辦不到的;只有設想一個理想化條件，才能揭示出運動是物體本身的屬性）;牛頓正是以伽利略的理想實驗為基礎，發現了“牛頓第一運動定律”。

牛頓在解釋行星公轉的原因時，設計了“高山大炮實驗”，如果一架大炮在高山上，水平發射炮彈，隨著炮彈初速的的增加，發射距離會越來越遠。那么當炮彈速度持續增加，就會達到一個能夠使炮彈不落地的高速，那么這個運動軌跡就是行星公轉的軌跡。牛頓的“高山大炮實驗”的結論不但解析了月球繞地球運轉的原理，而且還預言了人造地球衛星發射的可能，但在牛頓的時代，這個實驗只能是一種理想的實驗，因為在當時根本無法獲得“環繞速度”，可見，理想實驗可以超越現有的條件做出科學的預見。

愛因斯坦的“閃電實驗”是這樣設計的：共有兩道閃電，在東西方向的鐵路軌道上射出，如果兩道閃電的中心位置有一個觀察者A，A看到的是剛好兩道閃電的光信號同時達到他的眼睛，他就認為這兩道閃電是同時發生的。這時一列火車正由東向西高速運行，車上的乘客B正好經過A的對面，由于B速度非常高，西方的閃電光信號相比于東方的閃電光信號到達B眼中的時間就會提前;因此對于靜止的A和運動的B來說，兩道閃電帶來的視覺感受是不同的，這兩道閃電不是同時發生的（而是西方先閃，東方后閃），愛因斯坦的“閃電實驗”，率先提出了“同時性的相對性”科學概念，這為狹義相對論的解決奠定了基礎，對牛頓的絕對時空觀產生了革命性的變革;在物理學史上（甚至在哲學史上）樹立了一塊閃光的新里程碑。

在物理教學中，我們要善于運用科學史上著名的理想實驗，也要引導學生設計簡單的（或者模仿性）理想實驗，來幫助他們理解抽象的物理概念和規律，提高他們的邏輯推理和科學想象能力，培養他們的創新精神。

綜上所述，理想化方法是科學研究的重要方法，它閃耀著辯證唯物主義認識論和方法論思想的光輝，在透過現象抓住本質，簡化過程揭示規律，超越現有條件提出科學預見中起著十分重要的作用;理想化方法在教學中的運用，不僅有利于提高物理教學質量，對學生能力的發展必將產生深遠的影響。因此，我們在教學中應努力研究和應用理想化方法。

參考文獻：

[1]陳明勝.理想實驗及其在物理學發展中的巨大作用[J]. 黃岡師范學院學報， 2008，28（b06）55-56.

[2]孫桂英.理想化方法在中學物理教學中的應用[J]. 綏化學院學報， 2005（5）176-177.

[3]王存蓮.物理學中的理想實驗[J]. 河北能源職業技術學院學報，2004（4）87-88.