“理想化”的教學方法

張萍

高中學生普遍反映物理難學，為了降低學生學習難度，就要求教師在教學中突出重點，抓主要因素，運用簡捷思維，解決復雜的教學內容。如何能達到這個目的，我提出“理想化”教學方法與大家分享。

1.物質性模型

將物質性研究對象抽象為一個相關的理想模型。具體模型如：質點、理想氣體、點電荷、原子模型、光子等，這種將物理研究對象模型化的優點是盡可能地剔除次要因素，突出主要因素，從而為研究和獲得主要規律開辟道路。另一個優點是模型可以使被研究對象的物理圖像顯得鮮明和確切。

如質點模型就是將具有一定質量的物體在體積上被抽象為點。這種只有質量而沒有大小和形狀的點，其優點是避開轉動問題，較為容易地獲得了物體運動的規律。當然，質點的概念是相對的，不管物體的本身絕對尺寸怎樣，只要是與所涉及的運動范圍相比，其自身的限度可以被忽略時，該物體就可以抽象為質點。例如，地球的直徑約為1.27×107m，比起它繞太陽公轉的平均距離（1.5×1011m）小得多，這樣在研究地球的公轉問題時就可以把地球抽象為質點。但當我們研究地球的自轉時，由于地球上各點的運動情況不同，此時就不能把地球抽象為質點。

2.概念性模型——力

力是指物體間的相互作用，如重力、彈力、摩擦力、靜電力等，是一個在物理學中隨處可以遇到的概念。用一個有方向、有大小的線段來表示，力不僅有方向，而且有大小，在運算時要遵從平行四邊形法則。

一般情況下，學生對定義條文容易記憶，但是在理解和掌握概念上則往往吃不透，如電流的概念是指電荷的定向移動，對導線中某一被選定的橫截面來講，如果大量的電荷沿選定的正方向或沿相反的負方向通過導線截面時，則電流的方向也將有正負的改變。總有一部分學生認為電流是矢量，其錯誤在于教條地死記硬背定義“有方向和大小的量是矢量”，沒有理解到有方向特性的矢量計算時應遵從平行四邊形法則。這里電流的方向與矢量所指的方向是兩個根本不同的概念，電流的方向是指以導線的循引方向為標準，非正即負，所以它是標量而不是矢量。

3.彈簧振子模型

這類模型的特點是在不同的時刻，系統的振動狀態各有差異，但是都以一定的時間間隔為周期做往復運動。一般來說，振動現象不僅種類繁多，彼此各有差異，振動規律也比較復雜。但是我們能夠在各具特色的振動系統中，從普遍存在的通性里面找出共同的核心作為研究對象，就完全可以使復雜的問題簡單化。各種振動系統都存在一定的質量，也都具有一定的彈性，這就是共性。可以設想一個完全沒有彈性形變的硬質小球為研究對象，將彈性和形變的特性全部集中在彈簧上，又可以設想彈簧的質量較輕，可以被忽略，這樣將整個系統的質量全部集中到硬質小球上。

為了略去重力對振動系統的影響，可以設想彈簧一端固定，另一端系硬質小球，并且置于光滑水平面上，像這樣一個被理想化了的模型就是彈簧振子模型。以這個模型作為研究對象，就可以比較容易地獲得振動系統的回復力與位移成正比且反向的動力學方程F=-kx和振子隨時間變化的關系：x=Asin（wt+φ）。

4.復雜物理過程的物理模型

對于較復雜的物理過程，往往可以分為若干個不同的物理過程或遵從不同運動規律的階段。如碰撞問題，可以分為碰撞前、碰撞過程中和碰撞后三個階段，每個階段各有不同的物理特征，各自對應著不同的物理模型。當然每個階段所遵從的物理規律也不相同。因此，對復雜的物理過程，只要能夠抓住不同階段的物理特性，并能選用恰當的理想化方法，包括研究對象的理想化和物理過程的理想化，就可以使復雜的問題變得簡單明確。

5.物理過程的理想化研究方法

作為理想化的研究方法，除了上述列舉的模型化方法之外，還有使物理過程被理想化的研究方法。

動力學的中心內容就是描述物體的各種運動狀態。如各種勻速和勻加速，包括自由落體和豎直上拋運動。以勻速運動為例，表達式可以簡單地寫成x=vt，公式中的v從數學的角度來看是不變的比例恒量，公式表述了在一條直線上質點所通過的位移與時間成正比關系。怎樣才能實現這種勻速直線運動呢？困難之一就是人們雖然可以使運動過程中存在的摩擦力盡量的減小，但是無法完全消滅。

人們可以在實踐經驗的基礎上作如下的推論：如鉛球在沙地上滾動可以很快停下來。若鉛球在水泥地面上滾動時，會減速較慢，滾動的距離也較遠。若鉛球在冰面上滾動，減速會更慢，滾動的距離也會更遠。可以設想，如果能夠消滅摩擦力的影響，即在這種理想化的極限狀態下，物體將會做不減速的勻速直線運動。牛頓第一定律所講的慣性運動——勻速直線運動就是在上述邏輯推理過程中獲得的，并非客觀實際存在。而這種邏輯推理過程正是借助于物理過程的理想化——摩擦力為零——而獲得的。由此可見，物理過程的理想化方法對人們尋求和認識物理現象的內在本質規律提供了一種有效的方法。

總之，在物理教學中，被理想化了的物體、系統或過程是很多的，應該強調的是引進各種理想模型和辦法是一種非常重要的研究方法，目的是突出事物的本質因素，也只有這樣才能比較容易地獲得研究成果，使學生易于接受。

（作者單位：遼寧省本溪市高級中學）