物理學中理想模型的建立

摘 要：在對理想模型特征深刻認識的基礎上，教學中注重培養學生建立理想模型的意識和方法，提高運用理想模型解決問題的能力。

關鍵詞：理想模型；科學抽象；思維方法

一、理想化模型的概述

理想化模型是根據研究的物理問題的需要，從客觀存在的事物中抽象出來的一種簡單、近似、直觀的模型。具體地說，是對事物的各個物理因素加以分析，忽略與問題無關或影響較小的因素，突出對問題起作用較大的主要因素，從而把問題簡化。例如，力學上所研究的只有一定質量而沒有一定形狀和大小的質點；分子物理學中所研究的分子本身的體積和分子間作用力都可以忽略不計的理想氣體；電學中所研究的沒有空間大小的點電荷等，這些都是理想模型。

作為理想化模型的各種形態，都是在現實世界中找不到的，但是，理想模型并不是脫離實際的主觀臆想，它是以客觀事實存在為原型——有原型是理想模型特征之一。理想模型作為抽象思維的結果，它也是對客觀事實的一種反映，而客觀存在的復雜事物，包含有許多矛盾，因而具有多方面的特性，但是在一定的場合、一定的條件下，必有一種是主要矛盾或主要特征，而理想模型就是對客觀事實的一種近似反映，它突出地反映了客觀事實某一主要矛盾或主要特征，完全忽略了其他方面的矛盾或特征——突出矛盾是理想模型特征之二。例如，作為理想固體的剛體就是對固體的體積和形狀不易改變這一特征的突出反映；理想流體就是對流動性的突出反映等。物理學發展史上許多重大發現與結論，都是由科學家通過大膽的猜想，創建科學的理想模型，并通過實驗檢驗或實踐驗證，模型與事實相吻合的基礎上得出的，例如，有了伽利略的理想斜面實驗，才有了慣性的重大發現；有了質點這一理想模型，便有了牛頓運動定律和萬有引力定律。理想化模型把可靠的事實和深刻抽象的思維結合起來，便是科學研究問題的一種重要方法——以客觀事實為依據是理想模型特征之三。

二、理想化模型建立的原則

1.突出問題的主要因素，忽略次要因素

物理學研究的對象或問題往往比較復雜，受諸多因素影響，有的是主要因素，有的是次要因素。為了便于研究分析，我們把研究對象或問題進行簡化，抓住主要因素，忽略次要因素，建立理想化模型。

2.理想化模型要根據所研究問題的需要而定，并不是不變的

把一個實際問題抽象為什么樣的模型，要具體問題具體分析，即使同一個研究對象，在不同的問題中抽象成不同的模型。例如，研究地球繞太陽公轉這類問題時，把地球看作質點來研究；但研究地球自轉這類問題時，地球形狀不能忽略，地球不能看成質點。因此，解決物理問題選擇模型要結合所研究問題目的、性質等來選擇模型，不能隨便把什么對象、什么條件、什么過程歸入某一種模型，要根據具體問題選擇理想模型。

三、理想化模型建立的作用

1.理想模型建立推動了物理學的發展

理想模型作為一種抽象思維方法可以使人們對實際的科學實驗理解更深刻，進一步揭示客觀現象和過程之間內在的邏輯聯系，并由此得出一些重要結論。

例如，作為經典力學基礎的慣性定律，就是理想模型中條件理想化的一個重要結論。伽利略注意到，當一個小球從一個斜面上滾下又滾上第二個斜面上，球在第二個斜面上所達到的高度同它所在第一斜面上開始滾下時高度幾乎相等，伽利略斷定高度上這一微小差別是由于摩擦而產生的，如能將摩擦完全消除的話，高度將恰好相等，如果第二個斜面傾斜度完全消除了，那么小球從第一個斜面滾下之后，將以恒定速度在無限長的平面上永遠不停地運動下去。這個實驗是無法實現的，因為永遠無法將摩擦完全消除，但是，正是因為伽利略構建了光滑這一理想模型，卻打破了自亞里士多德以來一千多年間關于受力運動的物體，當外力停止作用時，便歸于靜止的陳舊觀念，為近代力學的建立奠定了基礎，后來這個結論被牛頓總結為運動第一定律，即慣性定律。

法拉第在1852年，對帶電體、磁體周圍空間存在的物質，設想出電場線、磁感線一類力線的模型，并用鐵粉顯示了磁棒周圍的磁力線分布形狀，從而建立了場的概念，對當前的傳統觀念是一個重大的突破?？梢?，理想模型的建立促進了物理學科的縱深發展。

2.理想模型建立簡化了物理問題的研究

由于客觀事物具有質的多樣性，它的運動規律往往非常復雜，不可能一下子把他們認識清楚，而采用理想化的方法研究問題，就可以使事物的規律更明確，從而便于人們去認識和掌握。理想模型建立不僅可以使問題簡化、處理方便，也能反映和突出事物的本質特征。

例如，研究地球繞太陽公轉運動時，由于地球直徑（約1.3×104 km）遠遠小于地球與太陽之間的平均距離（約1.5×108 km），就可以不考慮地球各部分運動的差異和地球本身大小，而把地球看成質點，這樣就大大簡化了地球繞太陽公轉這一問題的研究。

再如，當我們討論像電機轉子的轉動、炮彈的自旋、船舶在水中顛簸以及起重機或橋梁平衡等問題時，這些問題看起來很復雜，我們似乎感到束手無策，因為在這些問題中，物體的形狀、大小往往起著重要的作用，這時我們必須考慮物體形狀和大小，以及隨之而來的物體在力和運動影響下形狀和大小發生變化的問題，如果在研究物體運動時把形狀和大小的變化都考慮在內，會使問題變得相當復雜。值得慶幸的是，在很多情況下，物體受力和運動時，變形都很小，基本上保持原來大小和形狀不變，為了便于研究，我們抓住了問題的主要方面和本質方面，從而提出“剛體”這一理想模型。剛體模型的提出大大簡化了以上出現的各種看似復雜的問題。

3.理想模型的建立培養了學生正確的科學思維

理想模型的建立使學生的思維更敏捷，提高了分析問題和解決問題的能力。中職生正處于由具體思維為主的形式向抽象邏輯思維為主的形式過渡階段，具有很大的具體形象性。針對學生這一思維發展階段，在實施物理教學時，采用理想化模型有助于學生思維能力的科學培養。在培養學生思維能力時，首先要培養學生初步分析、概括和解決問題的能力，即主要是區分有關、無關因素，找出共同特征，從而概括出概念和規律以及會分析解決簡單的實際問題，而理想化模型就是由實驗、生活現象到形成概念、規律以及利用知識處理實際問題的橋梁。另外，理想模型的建立還是分析解決物理問題的基礎，像由質點的運動推演處理剛體、質點組的運動規律；由點電荷的特性通過疊加或積分處理帶電體問題等，因而教學中引導學生建立理想模型，是科學方法教育的一項重要內容。

四、理想化模型建立的方法

1.突出理想化模型建立過程的方法教育

理想化模型中學已涉及一部分，例如，質點、點電荷、功的原理、理想氣體等，在進行這些內容教學時要有意識地突出理想化模型的建立過程。例如，在教學“牛頓第一定律”時，首先詳細觀察、記錄課文里伽利略斜面實驗，然后再對實驗條件進行邏輯推理得出運動規律。處理好這一思維過程，不僅使學生掌握了定律，而且重要的是對運用推理總結出規律的方法有了深刻的認識。

2.正確處理具體客體向抽象客體的思維過渡

實施物理教學時，根據教學內容，運用符合學生心理特征的方法讓學生接受抽象的東西，由于學生對具體的東西認識比較根深蒂固，對抽象的東西難于接受，因此在教學過程中著重引導學生形成清晰的理想模型。例如，在講述質點概念時，要有意識地向學生介紹這種科學抽象的方法，抓住問題的主要特征，簡化對物體的研究，把物體看成一個點，為了讓學生理解質點，可舉一些事例讓學生思考討論：把教室椅子從第一排移到第五排，怎樣測量距離；汽車從學校行駛到體育場，怎樣測量距離等。在學生討論過程中，引導學生想到我們在處理這些問題時常常不考慮物體各部分差異，把物體簡化成一個沒有大小、形狀的點，即質點。經過這樣的教學，質點這個理想模型在學生的思維中就建立起來了，更重要的是學生掌握了研究問題的這種科學抽象方法。

3.將物理模型的構建作為知識應用訓練的重要環節

在培養學生應用物理知識解決實際問題的能力時，其中一個重要手段就是解題，它要求學生綜合應用已有知識，進行統籌分析。從解決問題認識心理學角度來看，解題過程是一個“信息輸入→信息加工→信息輸出”的過程，解題者必須主動地對題目的信息發現、辨認、理解，將感知信息“錄像”建立正確模型，然后進行信息加工，用題目中的信息和儲存在頭腦中的知識、經驗解決問題，然而在一些物理問題中，題目中不是直接給出理想模型，這就需要根據實際問題將其轉化為物理問題與我們頭腦中理想化模型相銜接，才能應用物理知識求解。

綜上所述，物理學中的一些原理、定律都是對于一定的理想模型的行為刻畫，可以說，離開了理想模型，物理學寸步難行，許多有成就的物理學家，往往是善于提出新的理想模型的人。因此，在教學中注意培養學生建立、運用理想模型的能力，一方面符合物理科學的認識發展，另一方面提高學生分析解決問題的能力。

參考文獻：

[1]竇俊飛.關于初中物理模型教學.中學物理，1996（7）.

[2]徐麗若.理想化模型在高中物理教學中應用.溫州市第二十一中學，2011.

（作者單位 山西省運城市財經學校）

編輯 魯翠紅