淺析高中物理中理想化方法的教學

摘要 理想化方法是物理學研究中最常用、最基本的方法之一，是科學研究方法論中的一個重要部分。本文闡述了理想化方法的含義、種類及在高中物理教學中應用理想化方法的必要性和重要性，同時也論述了教師怎樣培養學生掌握理想化方法。

關健詞 理想化 理想模型 理想實驗

中圖分類號： G632文獻標識碼：A

Ideal Method of High School Physics Teaching

ZHANG Huifang

(Jinhua Lanxi Lanmeng High School， Jinhua， Zhejiang 321102)

AbstractIdeal method is the most commonly used and one of the most basic method in physics research， is an important of research methodology. This paper describes the meaning， types of ideal method and the necessity and importance of application of the ideal method in physics teaching in high school， but also discusses how teachers train students to master the ideal method.

Key wordsideal; ideal mode; ideal experiments

1 理想化方法的含義

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。我們知道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。為了找到研究問題的思路和簡化程序，人們就在一定場合，一定條件下把現存的實際事物當作理想形態處理，對這些復雜的實體或實體過程進行思維加工。因為在一定現象中，并不是所有的條件，所有的性質都起著同等重要的作用，所以有必要對實體（或過程）給予簡化，純化，抽取主要因素，抓住主要矛盾，舍去次要因素，排除偶然性，揭示必然聯系。所謂理想化就是在思維中，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，論證揭示事物的思維過程。

2 理想化方法的分類

2.1 理想模型

理想模型是以客觀存在的事物為原型，在思維中形成一種高度抽象的理想客體，并用之來代替原型，建立描述這種客體本質屬性的方法。先將物理問題經過科學抽象簡化成某個物理模型，然后研究模型，推導有關物理規律，再運用這些物理規律去分析解決實際的物理問題。這樣一個循環的過程，也就是一個“實踐—理論—實踐”的過程。物理模型有實物模型和過程模型。

2.1.1 實物模型

物理學的研究對象是客觀存在的實際物體，通過簡化，抽象建立起來的物理模型叫做實物模型。翻開中學物理課本，映入眼簾的是“質點”，“剛體”，“單擺”，“彈簧振子”，“點電荷”，“理想氣體”，“光滑斜面、導軌”等，這些模型正是事物在某種條件下的近視，即實物模型。

我們拿“質點”模型來加以說明。一般情況下，我們研究一列火車沿鐵軌運動，嚴格說來是很復雜的，其中有火車車身的運動，車輪的轉動，車廂的晃動，蒸汽機活塞的運動，水和水蒸氣的熱運動，發電機中的電磁運動等等。假如我們只考慮火車沿軌跡的整體運動，即研究火車車身的運動，便可以忽略那些與火車車身運動關系不大的次要運動，即認為火車上各點的運動完全一樣——平動。這樣，我們便可以用一個有質量的點的運動來代替整體的運動，也就是把火車看成是一個“質點”來處理。同樣，地球繞太陽的運動，雨點的下落運動，飛機在高空運動等，在一定條件下都可以把它看成是質點運動，都可以用質點的運動規律來描述。所以“質點”模型是一個通用模型，它是從實際物體抽象出來的，反映了形形色色作同樣形式運動不同個體之間的共性。

在研究氣體性質時，由于在溫度不太低，壓強不太大的條件下的實際氣體分子間的相互作用力極其微小，分子所占的空間與其自由活動空間相比亦甚微小，在此情況下，可把所研究的實際氣體作理想化處理，即要求氣體分子間無相互作用，氣體分子不占空間，從而使研究問題的過程大為簡化，這就是理想氣體模型。

2.1.2 過程模型

物理學的研究任務之一是要找出運動所遵循的規律。如果不對這一運動過程進行近視處理，忽略次要的因素，保留本質因素，那么幾乎不可能得出結果。因此就必須在一定的條件下把這一運動過程進行理想化，抓住主要的因素，建立理想的過程模型，從而找到運動規律。如在公路上行使的汽車，雖然公路并不是一條幾何直線，汽車的位置隨時間變化也不是絕對均勻的，但若公路偏離直線很小，汽車的位置隨時間變化的不均勻也不明顯，那么都可以進行忽略。任何運動若能忽略這兩點，都可視為勻速直線運動。又如一個鐵球在空中靜止落下，影響鐵球運動的首先是地球引力，嚴格說來，這個引力并不是恒力，小球越接近地面，引力就越大。其次還有空氣阻力，這個阻力隨著速度的增大而增大，另外還須考慮由于地球自轉而引起的影響。這樣，鐵球的下落運動相關因素十分復雜，幾乎很難研究得出研究結果。但如果物體在近地空間下落，可不考慮高度變化引起的引力變化，也可不計地球自轉的影響，若在略去空氣阻力， 那么鐵球就僅在不變的重力作用下的運動，就理想化為“自由落體”運動。其實，在熱力學中，理想氣體的“等容”，“等溫”和“等壓”過程實質都是一種理想化的物理過程模型，是實際過程中的一種近視。還有勻速圓周運動，拋體運動，簡諧振動，完全彈性碰撞，絕熱過程，穩恒電流，正弦電流等，也都是人們在思想中塑造的理想過程。

2.2 理想實驗

理想實驗，又叫假想實驗，抽象實驗，思想上的實驗，它也屬于理想化的方法。理想實驗實際上是一種邏輯推理的思維過程，是科學抽象的產物，它往往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。由于理想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。例如作為經典力學基礎的慣性定律，就是理想實驗的一個重要結論。

3 理想化方法的教學

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。建立正確的理想化模型是物理學中分析問題和解決問題的重要思維方法。因此在高中物理教學中，怎樣運用理想化方法進行教學就顯得至關重要。對理想模型的概念，要讓學生明確三點：概念、特點和目的。如質點，概念：有質量的幾何點；特點：有質量，無尺寸，現實中不存在，假想的，虛構的；目的：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，而人們之所以要引入它的目的卻十分重要。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，這種思維方法是簡捷的、高明的。對理想模型運用的意義包括。第一，是抽象思維訓練的重要方法。這種訓練有個循序漸進的過程，就像語文課上背詩詞一樣，是個逐漸熏陶而成的過程。第二，是解決實際問題的基礎。實際問題是復雜繁瑣的，不能直接研究，必須先從理想模型入手，再向實際問題過渡。

3.1 理想化方法在課堂教學中例舉

在課堂上，能把理想化方法的思維滲透到學生中去，使學生對于課堂上建立起來的理想模型和實驗，能夠很好地接受，領會并能簡單運用，這是教師的一大任務。

我們以高中物理《電場強度》一節為例，講述一下怎樣用理想化方法來進行教學。電場最基本的性質是對處在其中的電荷有力的作用。為了研究電場的這種特性，我們需要在電場中放入一個電荷去“試探”，那么對該試探電荷有哪些要求呢？首先我們通過一個例子來類比一下：要用一把尺子去測量水的深度，如圖（1）所示。當把尺子插到容器里后，水面的高度將會有所升高，這表明測量的工具會影響測量的結果。為了使這種影響盡可能地小，應該把尺子做的薄一些，最好尺子根本就沒有厚薄，這樣水面的高度就不會隨著尺的插入而上升。我們回到前面，當把“試探”電荷放入電場中時，它多少也會影響被研究的電場的分布。例如圖（2），金屬球A上帶有正電荷Q，當A孤立時，其中的電荷分布是均勻的，球外電場的分布也具有對稱性。但當我們在A球右邊附近的B處放一個負電荷q（試探電荷）后，由于電荷的相互作用，球上的電荷會重新分布，A球上的電荷將是左疏右密。這樣，電荷q試探到的電場已經不再是原來的電場了。要使不影響原來的電場并且希望試探電荷能探明電場中每一個點的性質，我們要求該試探電荷應沒有線度和形狀，并且電荷也要足夠小。可見，該試探電荷是一個理想的點電荷。即使我們拿一個線度和電量非常小的電荷去實驗，測量它所受到的電場力也是非常不容易的。因此，我們就采用理想實驗，一切操作都在腦子里“思維地”進行。這樣，我們就獲得了對電場力的性質的準確認識，建立了電場強度的概念。經過引入理想化模型，采用理想實驗所處理后得到的電場強度概念是科學的，而且也只有這樣處理才能得到結果。

圖1

圖2

3.2 理想化方法在解題教學中例舉

很多學生都說物理題難解，其實之所以認為難原因就是不知道運用理想化方法去處理問題也就是不知道建立何種物理模型來解題。針對如此情況，教師在教學中應逐步讓學生掌握如何采用理想化方法根據題目建立理想模型，并讓學生會用所得的理想模型來分析和解決問題。請看以下例子：

例：汽車以一定速度在寬闊水平路上勻速直線行駛，忽然發現正前方出現一堵長墻，為了盡可能避免碰到墻壁，司機急剎車好呢？還是轉彎好？為什么？

拿到這個題目，首先要讀懂題目的意思。題目問“急剎車好還是轉彎好？”實際上是問哪種做法碰壁的可能性小。

其次，忽略一些次要因素，抓住汽車兩種運動的主要因素，建立兩種正確模型。汽車急剎車的模型：剎車裝置剎住輪子，輪子不能轉動，汽車由于慣性向前沖，輪子在地面上滑行，地面對輪的滑動摩擦力使汽車作勻減速運動，甚至停下來。如果要避免汽車碰到墻壁，就必須使汽車在從剎車到停止的整個過程中所前進的距離小于司機發現墻時急剎車的地點到墻的距離。汽車轉彎的物理模型：理想化的勻速圓周運動模型。車子是否碰墻，在于軌道半徑R的大小。軌道半徑R又是由向心力決定的，這個向心力是靜摩擦力提供的。根據題意，可以認為靜摩擦力的最大值與滑動摩擦力近似相等。

解題過程簡述如下：根據動能定理，汽車剎車后滑行的距離X和滑動摩擦力的關系為：

mv2 = FX又F = mg， 得：X = ;

根據勻速圓周運動公式，汽車轉彎是的向心力為：mg = ，得：R = ＞X；由此得出，汽車急剎車碰墻的可能性小。

這是一道說理題，題中沒有一個具體數字，也沒有一個表示物理量的文字符號。初看題目，似乎無從下手，然而只要仔細考慮，分析題目，在實際情況的基礎上建立相應的物理模型，再從中尋找有關概念和物理量之間的關系，題目就不難解答了。

3.3 理想化方法在實驗教學中例舉

理想化方法對于實驗教學有著不可忽視的作用。 在得出牛頓第二定律前，研究加速度a與F之間的關系時，我們也采用了理想方法來處理實驗。我們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。但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 = ，即當M>>m時，F才等于mg，我們在實驗中認為F = mg是在一定情況下的近似。其實，在有電流表和電壓表參加的所有試驗中，我們也采用了理想化方法，把電流表的內阻近似為零，而把電壓表的內阻近似為無窮大，從而使研究實驗處于方便狀態。

通過上面的分析，培養學生掌握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，同時應清楚這種代替帶來的偏差時可以容忍的，也是科學的；（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。

總之，理想化方法是物理學研究中最常用，最基本的方法之一，是科學研究方法論中的一個重要部分。在中學物理教學中，對于知識的傳播，學生能力的培養有著十分重要的作用。

參考文獻

[1]王沛清主編.提高物理解題能力的途徑.湖南教育出版社，1982.

[2]儲文啟.論物理教學中的理想化思維方法.連云港教育學院學報，1998(4).

[3]黃秋楠，宋爽，李春隆主編.物理學思維與中學物理解題方法.吉林科學技術出版社，1993.