淺談物理中的理想化方法

屈檢花

【摘要】 為了培養學生多方面的能力，尤其是創造性能力，在研究問題的時候，往往抓住主要因素，忽略次要因素，建立理想模型、理想化過程、理想實驗等。

【關鍵詞】 理想化方法 物理

【中圖分類號】 G633.7

【文獻標識碼】 A

【文章編號】 1992-7711（2020）02-150-010

物理教學中實施素質教育的目標是培養學生多方面的能力，如操作能力、觀察能力、推理和類比的能力、歸納和演繹能力、查閱資料和使用工具能力、邏輯思維能力、創造性能力等。而創造性能力的培養是核心，創造性能力的培養離不開科學方法的教育，我們物理教學中的理想化方法就科學方法之一。在研究物理過程中，往往要由于過程的影響因素比較多，要發現過程中的本質及規律不容易，或者是不可能的，因此我們需對整個過程中的某一部分進行假設而建立過程簡單化的理想模型，目的的抓住部題的主要的，本質的因素，舍棄其次要的、非本質的因素，變復雜條件的實際過程為簡單的的理想化過程。這樣，我們就可以透過事物的表面現象，比較容易地發現事物的本質及變化規律。物理學中的許多物理概念和物理定理、定律就是通過這樣的方法建立起來的，所以，理想化方法是物理研究中廣泛采用的理論思維方法之一，是一種科學的抽象。物理中的理想化方法主要體現在以下幾個方面：

一、理想化實體物理模型

由于客觀世界十分復雜，在研究問題的過程中就應該忽略次要因素、無關因素，從而簡明扼要揭示事物的本質。例如，一列汽車由北京開往上海，由于汽車的大小和形狀在與北京到上海的距離相比是微不足道的，在問題的研究中不起作用，所以可以把汽車看作是一個沒有大小和形狀的點。在物理學中我們把它叫做質點。實際上，學生很難一下子掌握這種理想化實體，他們普遍認為理想化實體就是近似，因此他們把對物體是否能看成質點的標準，那就是把質點等同于“小物體”，只要體積很小的物體就可以看成質點，體積大的物體不能看作質點。他們可能會犯這樣的錯誤，一個小球可以看作質點，那么地球就不能看作質點。實際上在研究地球繞太陽公轉的時候，可以把地球看作質點的，而在研究地球自轉的時候是不能把地球看作質點的。如果把地球的自轉看成一個質點，那是沒有抓住主要因素。因為一個點是不能研究轉動的。所以，理想化模型并不是簡單的近似，而是一種科學的抽象。又如，在電學中研究電荷間的相互作用時，其作用力的大小受帶電體的形狀、大小、所帶電荷量的多少、電荷的分布、電荷之間的相對位置及介質等諸多因素的影響，若不分主次的考慮各種因素，會感到無從下手，也無法得到最終的結果，在人類歷史發展過程中，通過大量實驗證明：隨著電荷間距離的增大，帶電體的形狀、大小、電荷的分布等因素的影響逐漸減小，距離增加到一定程度時，起決定作用的就是電荷的電量和介質的介電常數，其形狀、大小、電荷的分布等因素的影響逐漸減小，可忽略不計，從而建立起“點電荷”的理想模型。

理想氣體也是一個理想化模型。它反映的是氣體在壓強趨近于零時的極限性質，它抓住了主要因素，略去了不同氣體的個性，而表征著他們的共性。由此我們還建立了質點系、單擺、點電荷、試探電荷、勻強電場、磁場、薄透鏡、理想變壓器、點光源、光線等實體理想模型。這樣使研究的問題簡單化了，啟示了創造理想實體的方法。

二、物理過程的理想化

在研究和探索事物的過程中為了便于發現其中本質和規律而建立的一種抽象的、理想的事物形態，是對某些事物中所包含的本質及規律采用逐步逼近的描述方法。如彈簧振子在往返運動中由于摩擦阻力的作用，它的振幅越來越來小，直到最后停下來。如果減小摩擦阻力，發現彈簧振子振幅減得慢一些，直到停下來需要的時間長一些。也就是說，隨著摩擦力的減小，彈簧振子的振幅減得越慢，如果沒有摩擦阻力，且不考慮彈簧振子自身振動時由機械能轉化成內能的損失，那么彈簧振子將做等幅的簡諧運動，且不會停下來。其實，運動過程中不可能沒有摩擦力，而我們把它看成光滑的且沒有內能損失是把過程理想化了。物理中勻速運動、勻變速運動、自由落體運動、勻速率圓運動、等溫過程、等容過程、等壓過程、恒定電流等都屬于理想化過程。

三、理想化物理實驗

在實驗的基礎上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，根據邏輯推理法則，對過程進一步分析、推理，找出其規律。例如，物理教材中介紹了伽俐略斜面實驗，這是一個理想實驗：讓小球沿凹槽的一個斜面從靜止狀態開始滾下，小球將滾到另一個斜面，如果沒有摩擦，小球將上升到原來的高度。減小第二個斜面的傾角，小球在這個斜面上仍將達到同一高度，但這時它要滾得遠些。繼續減小第二個斜面的傾角，球達到同一高度時就會離得更遠。于是他問道：若將第二個平面放平，球會滾動多遠？結論顯然是：球將永遠滾動下去，卻不再需要什么力去推動。這個理想實驗為牛頓第一定律的產生奠定了基礎，可見，理想化實驗并不是脫離實際的主觀臆想，它是以實踐為基礎，運用邏輯法則進一步揭示出客觀現象和過程之間內在邏輯聯系，并由此得出結論。因此，理想化實驗是一個思想模型，這個模型隱藏的方法啟發人們認識了慣性定律，甚至相對論、量子理論的建立都離不開理想化實驗。

總之，在物理研究過程中，采用理想化方法能使問題變得簡單化，能更好培養學生的創造性能力。

[ 參? 考? 文? 獻 ]

[1]熱學教程作者：黃淑清聶宜如申先甲.