高中物理理想模型初探

侯海軍

物理學是研究最基本、最普遍的物質運動和相互作用的自然科學.物質的運動過程往往要受自身或者外界環境的各種因素的影響，如果直接對某物體或系統進行研究，把各種因素都考慮在內，那么將十分復雜，我們就很難認識事物的本質.為了使研究的問題變得簡單，就需要對研究對象作一些近似處理，抓住主要因素，忽略某些次要因素，將研究對象抽象成一種科學近似的模型，這種科學抽象的產物就是理想模型.

1 理想模型的特點

1.1 近似性

理想模型的近似性主要表現在任一理想化模型都是以一定的客觀實體為基礎并做出近似處理.如“質點”忽略了物體的形狀和大小.

1.2 抽象性

理想模型與實體不同，它在實際生活中不存在，這又表現了它的抽象性.如“質點”生活的一切物體都有形狀和大小.

1.3 局限性

理想模型都是在一定的條件下建立起來的，離開了這一條件理想模型就不能使用.如“質點”是由所研究問題的性質決定的，物體能否看作質點具有一定的局限性.

1.4 相對性

某個事物在不同的情況下，有時可視理想化模型而有時則不可.如火車，在研究火車從北京到上海可視為“質點”，但在研究火車過長江大橋時則不可視為“質點”，這就是理想化模型的相對性.

2 高中物理理想模型的分類

2.1 對象理想模型

實際物體在某些特定條件下往往可抽象為理想的研究對象，即對象理想模型.如質點、理想氣體、彈簧振子、單擺、點電荷、試探電荷、無限大平板、純電阻（純電容、純電感）、理想變壓器、點光源、絕對黑體、湯姆遜模型、盧瑟福模型等.

2.2 過程理想模型

將實際物理過程進行處理，忽視次要因素，考慮主要因素，使之成為典型過程，即過程理想模型.如：勻速直線運動，勻變速直線運動，自由落體運動，拋體運動，勻速圓周運動，簡諧運動，彈性碰撞，恒定電流，等溫變化、等容變化、等壓變化、絕熱變化等等都是物理過程、物理狀態的模型.

2.3 模擬式理想模型

物理概念和規律在形式上是抽象的，在內容上是具體的，因此，我們可以用模擬式理想模型來描述.如：電場線、等勢面、磁感線和光線等就是模擬式模型.

2.4 條件理想模型

物理過程總是在一定條件下發生的，條件模型將條件理想化，以便突出主要的物理現象和過程.高中階段此類理想模型有：勻強電場、勻強磁場、光滑斜面、“均勻”、“輕質”、“理想電表”、“薄透鏡”等都屬于條件理想模型.

2.5 理想化實驗模型

在實驗的基礎上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，依據嚴密的邏輯推理，對過程進行分析、推理、總結得出規律.最典型的當如伽利略理想斜面實驗，得出“力不是維持物體運動的原因”的結論，理想實驗是在現實中無法完成的實驗，比實際實現具有更大的魅力和作用，在物理學發展史上具有重大的作用.

3 理想模型在高中物理教學中的作用

3.1 有助于學生對物理概念和規律理解

高中物理理想模型的提出與發展揭示了物理概念的形成與發展，理想化的方法也是理解物理概念和規律基本思路.

如電場強度概念教學時，首先引入了“試探電荷”這一理想模型，即忽略電荷的形狀和大小，忽略電荷產生的電場對需要研究電場影響，然后利用q所受電場力F，2q所受電場力2F，3q所受電場力3F……從而得出描述電場的本質屬性的物理量電場強度，本過程從“試探電荷”的引入，到電場力的邏輯推理都能體現出理想化模型在概念的建立時的重要性，通過這種理想化使學生更容易認識概念，也能讓學生更加深刻的理解概念的形成過程；此后進行點電荷場強的表達式和電場強度的疊加時，學生理解就變得簡單.

再如平拋運動規律的教學時，平拋運動的概念提到“在空氣阻力可以忽略的情況下”的運動，用分解思想在處理時，將平拋運動分成水平方向“勻速直線運動”和豎直方向“自由落體運動”，然后再利用相關直線運動規律在兩個方向上分別處理速度和位移，最后進行合成得出平拋運動規律，該教學過程的處理，從概念到規律的得出，都體現了理想化模型的作用，只有抓住主要因素，忽略次要因素時才能更加準確和簡單的理解規律的本質和意義.因此理想模型的教學既是認識和理解規律的過程，也是應用規律探索新知的過程.

3.2 有助于學生物理思想和思維力的培養

新課程背景下，學生能力的培養是關鍵，高中物理教學中，培養物理思想和思維力（即分析和解決物理問題的能力）則是一切能力的核心.理想模型的教學，除了傳授知識外，同時也是對學生物理思想和思維力培養的良好途徑.

如“單擺”模型的教學時：首先應明確“單擺”是在細繩、球和空氣阻力都理想的情況才是單擺模型，證明單擺為簡諧運動時，學生首先找出平衡位置，找出位移，并對質點進行受力分析找出回復力，思考曲線運動的位移如何才能和回復力在一條直線上，并提出解決方案，最終使用極限思想，得到回復力與位移成正比，證明單擺運動為簡諧運動.[HJ1.3mm]

再如教學中處理“速度選擇器”模型時：帶電粒子在忽略重力的影響下，沿平行板電容器方向進入相互正交的勻強電場和勻強磁場，學生通過受力分析發現只有當洛倫茲力和電場力平衡時粒子才能沿直線運動，并通過推理得出只有當的粒子才能沿直線運動，引導學生發現“速度選擇器”選擇的是速度的大小和方向，而與粒子的比荷無關.再次展示“磁流體發電機”、“霍爾效應”、“電磁流量計”等模型，讓學生通過上述思維過程進行分析.

通過以上兩例可以發現，在進行理想化模型教學時，通常用類比法、微元法、近似法、極限法等物理思想，欲理解清晰必需具有較強的物理思維力，理想模型教學中不僅是認識理想模型，更是對高中學生物理思維的鍛煉，所以高中物理理想模型的教學過程更是培養和提高物理思想和思維的過程.

3.3 有助于學生解決高中物理問題

解決高中物理問題基本過程：“審視物理情境→構建物理模型→轉化為數學問題→還原物理結論”.高中物理問題大都是有多個理想模型組合而成的，因此對理想模型的理解程度就直接影響到具體的問題解決.如：

通過上述解析過程可以發現，本壓軸題由多個理想模型堆砌，解答過程需要學生深刻理解高中各個理想模型，明確模型的物理本質，并能通過具體分析，構建出熟悉的模型，最后將每個模型之間的聯系挖掘出來，便能輕松解決物理問題.

綜上所述，理想模型是物理學研究中基本方法，是物理概念和規律形成和發展的基礎，是高中物理思維形成的重要途徑，是解決高中物理問題根本，因此，高中學生必須掌握高中階段的所有理想模型.在教學中，物理教師應更加注重向學生傳授建立理想模型的思想方法，強化理想模型的重要性.