高中物理教學中理想化方法的培養策略

魯世明

(江蘇省姜堰中學,江蘇 泰州 225500)

科學方法是物理學發展中的靈魂,學習物理必須學會物理學的基本科學方法;科學方法還是從必備知識學習到關鍵能力發展之間的中間環節,是溝通必備知識和關鍵能力的橋梁.物理學科核心素養特別強調了科學方法的重要性.理想化方法是物理學研究中最常用、最基本的科學方法之一,對提高學生的能力和核心素養的發展有重要指導意義.因此,高中物理教師在教學中要特別重視對學生進行理想化方法的培養指導.

1 理想化方法的內涵

理想化方法,是科學抽象的一種特定形式,是人們運用理性思維的方式之一.物理學所研究的各種事物及現象都是很復雜的,往往是各種因素都交織在一起,要全面毫無舍棄地考慮各個因素的存在,就會使我們處理物理問題寸步難行.為了找到研究問題的思路和簡化程序,就需要在一定場合、一定條件下把現存的實際事物當作理想形態處理,對復雜的實體或實體過程進行思維加工,給予簡化、純化,抓住主要矛盾,舍去次要因素,揭示必然聯系.所謂理想化方法就是在科學思維中,用理想的客體代替現實的客體,按照一定的邏輯規則,通過設想、推導、論證揭示事物本質的科學思維方法.

2 理想化方法的類型

在物理學研究中,理想化方法有以下3種類型： 理想物理條件,理想物理模型,理想物理實驗.

2.1 理想物理條件

在實際物理問題中,研究對象往往處于多種條件之中,但對研究的問題來說,并不是所有的條件都起同樣的重要作用.為了研究問題的方便,抓住主要條件,完全忽略其他次要條件的影響,形成理想物理條件.例如,自由落體運動是忽略空氣的摩擦力等次要條件,在研究的過程中抓住物體僅受到恒定重力的理想物理條件;研究微觀粒子如質子、電子、離子在電磁場中的運動時忽略重力場,形成粒子僅受到電磁場力的理想物理條件;再如光滑平面、輕桿、輕繩、均勻介質、勻強電場等都屬于理想物理條件.

2.2 理想物理模型

理想物理模型是以客觀存在的事物為原型,抓住實際客體最具本質的特征,在思維中形成一種高度抽象的代替原型的理想客體,建立描述這種客體本質屬性的純化模型.理想物理模型分為理想實體模型、理想過程模型、理想狀態模型3類.

(1) 理想實體模型.

用來代替由具體物質組成的、代表研究對象實體系統的模型叫作理想實體模型.理想實體模型是指理想化的研究對象,如質點、點電荷、點光源、單擺、理想氣體、理想流體、理想變壓器、薄透鏡、絕對黑體、原子模型等都屬于理想實體模型.

(2) 理想過程模型.

把具體物理過程進行純粹化、理想化,抓住主要的因素所抽象出來的物理過程叫理想過程模型.如自由落體運動、勻變速直線運動、勻速圓周運動、簡諧運動、單擺運動、彈性碰撞、等溫過程、絕熱過程、光的直線傳播等都屬于理想過程模型.

(3) 理想狀態模型.

實際物理狀態非常復雜,把實際物理狀態理想化,進行抽象,形成理想化物理狀態叫作理想狀態模型,如流體的穩定流動、層流、似穩靜電場、動態平衡等模型都屬于理想狀態模型.

2.3 理想物理實驗

理想物理實驗也叫臆想實驗、假想實驗、思想實驗,它是人們在物理實踐中遇到某些無法解決的問題時,在真實的科學實驗的基礎上,抓住主要矛盾,忽略次要因素,根據邏輯法則由大腦構想出來的一種無法實現的實驗.理想物理實驗是一種形象思維與抽象思維相互作用的思維過程,是科學抽象的產物,由于理想物理實驗存在著它的客觀根據,即理想實驗的實踐基礎,故能得出合乎邏輯的結論,從而在物理學的理論研究中起著重要作用.如伽利略的拴在一起的輕重不同的兩物體下落的歸謬理想實驗及理想斜面實驗、牛頓的山頂平拋成為衛星的理想實驗等都屬于理想物理實驗.

3 高中物理教學中理想化方法的培養策略

物理教學中實施理想化方法的培養教育,可以幫助學生更有效地理解物理概念,掌握物理規律,形成物理觀念,解決物理問題.高中物理教學中理想化方法的培養主要有以下幾種策略.

3.1 物理觀念教學中滲透理想化方法

通過物理觀念教學滲透科學方法是物理科學方法教育的根本方式和首要途徑.在物理教學中,進行理想化方法的教育,不能脫離物理概念和物理規律,有些物理定律的建立和闡述本身就包含著物理學家所使用的理想化方法.在高中物理教學中,抓住物理觀念和理想化方法的結合點,讓學生體會到掌握理想化方法的意義,是通過物理觀念教學滲透理想化方法教育的關鍵,是促進學生主動學習并掌握理想化方法的保證.例如,“牛頓第一定律”的教學,學生已經具備的觀念是：在水平面運動的物體,在摩擦力的作用下,會運動一段距離最終停下來.為了引入理想化方法,可以設計做這樣的實驗：讓滑塊從同一斜面的同一高度滑到表面粗糙程度不同的水平木板上(木板上分別鋪綢布、毛巾等),發現水平木板越光滑,滑塊滑得越遠.在這一可靠事實的基礎上,利用理想化方法,推理出假如木板絕對光滑,滑塊將做勻速直線運動.這種設計就是寓理想化方法教育于物理觀念教學之中.

3.2 物理學史理想實驗案例剖析中體會理想化方法

物理學的發展史也是一部科學方法的發展史,物理學史能夠為物理科學方法教育提供豐富多彩的材料.剖析物理學史理想實驗案例可以使學生更全面、系統地領略到科學家的理想化科學思維方法,體會物理學史上理想物理實驗在建立物理學理論的過程中發揮著重要的作用,可以引起學生對物理科學方法的興趣,激發學生探究、創新的欲望.例如,伽利略在研究物體的慣性運動時, 他是用理想實驗進行論述的： 如圖1所示的光滑的圓弧形軌道, 一個小球從A點沿軌道下滑然后再滑上對接軌道, 它是可以到達相同的高度,如圖1(甲)所示.然后伽利略把對接的軌道改變形狀, 使得軌道的坡度越來、越小, 而小球仍然要滑上相等的高度, 那么小球的路程勢必越來越長,如圖1(乙)所示;伽利略進一步推想, 當這個對接的軌道變成一個坡度無限小的軌道( 即水平軌道) 的時候,如圖1(丙)所示,由于小球要滑上相等的高度, 就必然導致小球在水平的軌道上永遠滑下去, 即小球不會停止運動, 從而證明, 小球就能維持原來的運動而不需要力來維持.牛頓在思索萬有引力問題時也設計了一個著名的理想實驗：拋體運動實驗.一塊石頭投出, 由于重力作用平拋最終落在地面.推想：投擲的速度越大, 它落地前走得越遠.進一步理想化推想：我們可以假設當速度增到足夠大,直到最后超出了地球的限度, 進入空間永不觸及地球而成為衛星.這個實驗在當時的物質條件下是無論如何不能實現的,牛頓在真實的拋體運動的基礎上, 發揮思維的力量把拋體的速度推到地球引力范圍之外.同樣愛因斯坦在創設狹義相對論和廣義相對論時, 也大量使用了理想實驗的方法.麥克斯韋1871年提出的“麥克斯韋妖”的理想物理實驗進一步證明了熱力學第二定律的正確性,并且推動了信息科學和生命科學的發展.對學生進行物理學史教育時,不僅要學生了解物理學發展過程中用到的理想化方法,還要學生能夠熟練掌握和應用,發展學生科學思維能力和創造能力.

圖1 伽利略理想實驗

3.3 理想物理模型的建構中領悟理想化方法

對理想物理模型的建構,要指導學生領悟到以下兩點：一方面要讓學生明確理想物理模型的概念、特點和目的.如質點,概念是有質量的幾何點;特點是有質量、無尺寸,假想虛構的;目的是用它代替現實中的實際物體,使問題難度降低和容易表述.對于學生,某一理想模型定義的本身并不重要,而明確引入它的目的卻十分重要,那就是簡化、快捷、突出本質.如無內阻的理想電源、理想氣體、光滑表面、點電荷、磁感線等等,在教學的應用中要經常讓學生體會和感受它的目的性,更要讓學生知道,這種思維方法是簡潔的、高明的.另一方面,要引導學生正確理解理想物理模型的適用范圍.理想化方法具有較大的靈活性, 每種模型也有限定的運用條件和適用范圍, 把一個實際問題抽象成什么樣的模型,要具體問題具體分析,即使是同一客體, 在不同的研究中也可能需要抽象成不同的模型.如研究地球公轉時可以把地球視為質點;可是研究地球的自轉時, 卻不能把地球當作質點.而在靜電平衡中,地球被看成帶電的球體.再如理想氣體是實際氣體在一定程度上的理想化模型,只有在壓強不太大、溫度不太低的條件下才可把實際氣體看作理想氣體來處理.因此,在物理教學中應引導學生對具體問題具體分析,在理想物理模型的建構中領悟理想化方法.

3.4 物理科學探究中體驗理想化方法

科學探究是新課程改革中的一大亮點,所提倡的探究學習就是一種融科學知識、科學方法于一身,鼓勵并促進學生積極提出問題和探究解決方案的一種教育方式.科學探究包括7個要素：提出問題→猜想或假設→制定計劃與設計實驗→進行實驗與收集證據→分析與論證→評估→交流與合作.科學探究過程蘊含著豐富的理想化方法知識,科學探究在理想化方法教育上具有獨特的優勢,尤其新教材中設置了不少的探究實驗,可以讓學生體驗探究的過程中體驗理想化方法,能夠培養學生探索精神、實踐能力以及創新意識,從而提高他們的科學素質.例如,在“探究加速度與外力、質量的關系”實驗探究中,研究加速度a與F之間的關系時,也采用了理想方法來處理實驗.近似認為掛在小車上的砝碼的重力就是小車所受到的拉力.其實這樣的忽略是有條件的.由受力情況得mg-F=ma,F=Ma,得到F=Mmg/(M+m),即當M?m時,F才等于mg,我們在實驗中認為F=mg是M?m情況下的近似.這種科學探究過程就是學生體驗理想化方法的最好途徑.

3.5 物理問題的解決中訓練理想化方法

物理理想化模型能清晰反映問題本質,有利于分析和發現規律,在實際物理問題中幫助學生建立正確的理想化模型、訓練理想化方法是提高學生分析問題和解決問題的重要途徑.在物理問題解決中訓練理想化方法應注意以下幾點：(1) 要讓學生明確我們所研究的任何一個物理問題,都可以用一定的理想化模型代替實際物體和實際過程,也就是采用理想化方法;(2) 要告訴學生我們對物理問題進行理想化時,一定要抓住其本質特征;(3) 要求學生運用理想化方法研究問題時,一定要“具體問題具體分析”,力戒絕對化,力爭用最簡單的模型進行代替.

圖2 離心裝置

例如,2021年江蘇高考試卷第14題：如圖2所示的離心裝置中,光滑水平輕桿固定在豎直轉軸的O點,小圓環A和輕質彈簧套在輕桿上,長為2L的細線和彈簧兩端分別固定于O和A,質量為m的小球B固定在細線的中點,裝置靜止時,細線與豎直方向的夾角為37°,現將裝置由靜止緩慢加速轉動,當細線與豎直方向的夾角增大到53°時,A、B間細線的拉力恰好減小到0,彈簧彈力與靜止時大小相等、方向相反,重力加速度為g,取sin37°=0.6,cos37°=0.8,求： (1) 裝置靜止時,彈簧彈力的大小F;(2) 環A的質量M; (3) 上述過程中裝置對A、B所做的總功W.

訓練學生分析本題以下理想物理模型：① 理想狀態模型：共點力平衡模型;② 理想條件模型：輕彈簧、輕繩模型;③ 理想物理過程模型：勻速圓周運動模型.分析題目得到以下信息：① 初態是A、B都是共點力平衡模型;② 末態B是共點力平衡模型,A是勻速圓周運動模型,初末狀態輕彈簧壓縮量和伸長量相等;③ 全過程是對AB及彈簧整體系統整體研究的功能轉換.

圖3 彈簧緩沖裝置

又例如,2012年江蘇高考試卷第14題“彈簧緩沖裝置”.原題：某緩沖裝置的理想模型如圖3所示,勁度系數足夠大的輕質彈簧與輕桿相連,輕桿可在固定的槽內移動,與槽間的滑動摩擦力恒為f.輕桿向右移動不超過l時,裝置可安全工作. 一質量為m的小車若以速度v0撞擊彈簧,將導致輕桿向右移動l/4. 輕桿與槽間的最大靜摩擦力等于滑動摩擦力,且不計小車與地面的摩擦.若彈簧的勁度系數為k,求： (1) 輕桿開始移動時,彈簧的壓縮量x; (2) 求為使裝置安全工作,允許該小車撞擊的最大速度vm; (3) 討論在裝置安全工作時,該小車彈回速度v′和撞擊速度v的關系.

本題是緩沖裝置的理想物理模型,訓練學生分析本題以下理想物理模型：① 理想條件模型：輕彈簧、輕桿模型;② 理想物理過程模型：系統機械能守恒模型.從而得出以下關鍵信息：① 當彈簧彈力小于f時輕桿不動,是系統機械能守恒的理想模型;② 當小車初動能過大,彈簧彈力達到f后,由于是輕桿理想條件模型,彈簧形變量不變,所以小車、彈簧、輕桿一起減速,系統機械能減少;③ 速度減小到0時,輕桿不動,彈簧將彈性勢能轉化為小車動能,小車反彈,又是系統機械能守恒的理想模型.

因此,我們只有在平時的物理問題的解決中不斷訓練理想化方法,才能真正提高學生的能力,解決好實際問題.

4 結語

在高中物理教學中對學生進行理想化方法的培養可以引導學生自己形成物理觀念,有助于學生提出問題并設想解決問題的方向;有助于激發學生探索的意向, 引導學生進行自主學習;有助于發展學生的思維,培養學生的創新能力,提高學生核心素養.