物理學中的理想化方法

理想化方法是人們在認識事物 、探索事物內在本質及規律的過程中形成的一種理論思維方法。在研究物理過程中，往往由于過程的影響因素比較多，要發現過程中的本質及規律是不容易，或者是不可能的.因此我們需要對整個過程或過程中的某一部分進行假設而建立過程簡單化的理想模型，目的是抓住問題主要的、本質的因素。舍棄其次要的、非本質的因素，變復雜條件的實際過程為簡單的理想化過程。這樣，我們就可以透過事物的表面現象，比較容易地發現事物的本質及變化規律。物理學中的許多物理概念和物理定理、定律就是通過這樣的方法建立起來的。所以，理想化方法是物理研究中廣泛采用的理論思維方法之一。

物理研究中的模型化：模型化指的是在研究和探索事物的過程中為了便于發現其中本質和規律而建立的一種抽象的，理想的事物形態，是對某些事物中所包含的本質及規律采用逐步逼近的描述方法。例如，在電學中研究電荷間的相互作用時，其作用力的大小受帶電體的形狀、大小、所帶電荷量的多少、電荷的分布、電荷之間的相對位置及介質等諸多因素的影響，若不分主次的考慮各種因素，會感到無從下手，也就無法得到最終的結果。在人類歷史發展過程中，通過大量實驗表明：隨著電荷間距離的增大，帶電體的形狀、大小、電荷的分布等因素的影響逐漸減小，距離增加到一定程度時，起決定作用的就是電荷的電量和介質的介電常數，其形狀、大小、電荷的分布可忽略不計。從而建立起“點電荷的理想模型”，這樣，突出了對所研究問題起主要的因素忽略次要的因素，建立“理想模型”，有效的解決了對復雜問題的研究。在此基礎上進一步對氣體進行模型化：當分子間的距離接近十倍或 大于十倍分子直徑時，就可以忽略分子之間的相互作用力，從而建立了理想氣體模型。這樣就比較容易得出描述氣體的物理量間的關系一一氣體狀態方程。顯然，如果沒有“點電荷”這個理想模型的建立，就沒有庫侖定律。沒有氣體模型和理想氣體模型的建立，就沒有氣體狀態方程。同樣，如果沒有質點的建立，便不會有牛頓定律和萬有引力定律。物理學中的物理模型非常多，可以說，物理的全部定理、定律和公式都是對物理模型的刻畫。物理模型化是物理學研究普遍采用的方法，是建立和發展物理理論的重要手段 離開物理模型，物理學的研究就寸步難行。

物理過程的理想化：自然界中各種運動過程非常復雜，為了研究問題的方便 我們可以忽略次要因素，突出物體運動的主要特征和規律，把運動過程想象為一種簡單化的、實際上不存在但又經得起實踐驗證的運動過程。在研究物體的碰撞問題時，認為該系統只在碰撞物體間內力的相互作用下發生的，其他力與內力相比，均可以忽略不計。在此條件下，這一系統遵循動量守恒定律。而完全彈性碰撞規律又是建立在理想碰撞的這一理論過程的基礎之上，只要相互的物體所受合外力為零，而且物體間相互作用的內力屬于彈力，這樣的形變就能完全恢復。顯然整個碰撞過程只存在動能和彈性勢能之間的相互轉化，因此碰撞前后系統動量守恒。力學中研究物體在光滑平面或無摩擦軌道上的運動過程，熱學中研究理想氣體等質纂過程中能量的轉換等都采用的是理想化過程。所謂等容、等壓、等溫及絕熱過程也是理想化過程。同樣在研究地球表面上物體的下落運動時，往往被視為自由落體運動，那是因為在落體運動過程中忽略了空氣、阻力、重力隨高度變化等因素，認識物體只在恒定的重力作用下的下落過程。顯然，滿足自由落體運動條件的物體在自然界中無法實現，但在許多情況下，物體的下落很接近自由落體，完全可以用自由落體運動規律來處理，所以自由落體理想過程的建立有著重要的現實意義。物理學中的過程處處可見，理想過程是對實際過程的一種科學的近似，也是對實際過程進一步研究的基礎。對理想過程的研究，很容易發現 實際過程中所包含的規律，能更準確更深刻的抓住問題的實質。這種方法也普遍運用于其他領域。理想實驗是一種假想的實驗，是人們在思想意識中塑造的一種理想過程，但它是一種邏輯推理的思維過程和理論研究的重要方法。它不是脫離實際的主觀臆想，而是在真實的科學實驗的基礎上，抓住主要因素，排除次要因素，對實際過程作出更深層次的抽象分析，指出客觀現象的過程之間的內在聯系及其規律，并由此得出重要結論 。

愛因斯坦就十分重視理想實驗的研究，他通過設想的閃電理想實驗，提出了同時性的相對性概念。他設想當兩道閃電同時下擊一條東西方向的鐵路軌道時，對站在兩道閃電 中的觀察者來說，這兩道閃電是同時發生的，但是對于乘坐一列由東向西高速行駛的火車上的觀察者來說，這兩道閃電不是同時下擊的，同時性的相對性概念是建立狹義相對論的一個關鍵。伽利略的“平斜槽”理想實驗，一方面使人們對力和運動的關系的認識有了劃時代的轉變，闡明物體的運動并不需要外力來維持，既奠定了牛頓第一定律的建立，另一方面又論證了自由落體運動是勻加速直線運動。而慣性定律是無法用實驗驗證的，很多的自由落體運動也不便通過實驗驗證，而采用理想實驗來論證，人們可以深信不疑。人類歷史的長河中的大量實踐已證實了理想化方法的合理性，并在科學研究中已成為一種獨特的、無法替代的理論思維方法。（單位：新疆新源縣第五中學）