例談理想化思維方法在物理教學(xué)中的運(yùn)用

王麗娜

理想化方法是一種科學(xué)抽象，是研究物理學(xué)的重要方法，它是根據(jù)所研究問題的需要和具體情況，確定研究對象的主要因素和次要因素，保留主要因素，忽略次要因素，排除無關(guān)干擾，從而簡明扼要地揭示事物的本質(zhì)，理想化方法，在自然科學(xué)中的應(yīng)用主要是：設(shè)計理想實驗，建立理想模型.本文對理想實驗方法和理想模型方法，提出一些粗淺的看法.

一、理想實驗

所謂“理想實驗”，又叫做“假想實驗”、“抽象的實驗”或“思想上的實驗”，它是人們在思想中塑造的理想過程，是一種邏輯推理的思維過程和理論研究的重要方法.理想實驗方法是形成物理概念、建立物理規(guī)律的基礎(chǔ)；運(yùn)用理想實驗方法，可以簡化和純化研究對象及其所處狀態(tài)和發(fā)展變化的過程，大大方便了對物理問題的處理；對于許多復(fù)雜的物理問題、可以先進(jìn)行理想實驗，再對實驗所得出的結(jié)論加以適當(dāng)?shù)男拚员阌诮鉀Q實際的物理問題.

1.理想斜面實驗.作為經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)的慣性定律，就是理想實驗的一個重要結(jié)論.伽利略用著名的理想斜面實驗，糾正了亞里斯多德“運(yùn)動需要力來維持”的錯誤觀點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)了力與運(yùn)動關(guān)系的規(guī)律.伽利略所采用的理想實驗和科學(xué)推理的方法，得到了愛因斯坦高度贊揚(yáng)：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端.它是由考慮一個既沒有摩擦又沒有任何外力作用而永遠(yuǎn)運(yùn)動的物體的理想實驗而得來的，這個發(fā)現(xiàn)告訴我們，根據(jù)直接觀察所得出的直覺的結(jié)論不是常?？煽康?，因為它們有時會引起錯誤的線索上去.”從這些例子以及后來的許多的例子中，我們認(rèn)識到用思維來創(chuàng)造理想實驗的重要性.

2.關(guān)于運(yùn)動時鐘延緩的研究.關(guān)于運(yùn)動時鐘延緩的結(jié)論，愛因斯坦創(chuàng)立相對論時，是由一種理想實驗推導(dǎo)出來的，但到了 1971 年，美國的哈弗爾 （Hafel） 和凱丁 （keating） 作了實驗，他們把四只銫原子鐘放到飛機(jī)上，在赤道平面附近高速度向東及向西飛行，也就說相對于地球的速度不同，當(dāng)飛機(jī)分別繞地球航行一周回到地面的出發(fā)點(diǎn)時，與一直靜止放在那里的銫原子鐘對時間，結(jié)果表明，處在向東飛行的飛機(jī)上的鐘，其讀數(shù)平均慢了 59 × 10-9，處在向西飛行的飛機(jī)上的鐘，平均快了 273 ×10-9秒，這種實驗結(jié)果與相對論理論計算值在 10% 的誤差范圍內(nèi)完全一致.這個實驗，一方面檢驗了狹義相對論的正確性，另一方面也說明了人們已將前人理想實驗轉(zhuǎn)化成了真實實驗. 自然科學(xué)的理論研究中，理想實驗具有重要的作用，作為一種抽象思維的方法，可以進(jìn)一步揭示出客觀現(xiàn)象和過程之間內(nèi)在的邏輯聯(lián)系.對于推翻舊的不合理理論、建立新的正確理論，起著重要的推動作用.

3.單擺運(yùn)動的研究.在研究單擺的運(yùn)動規(guī)律時，高中教材上曾寫道：“在一根不能伸長、又沒有質(zhì)量的線下端系一個質(zhì)點(diǎn)”就是一個單擺.我們知道，在自然界中既不存在不能伸長又沒有質(zhì)量的線，也不存在只有大小而沒有質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn).但是在我們研究單擺運(yùn)動的過程中，單擺的質(zhì)量和伸長是很微小的、是次要的，擺球的大小可以不考慮，介質(zhì)阻力也可以忽略.

還有，我們得到的單擺周期公式中，很明顯，T與幅角無關(guān)，實際上通常情況下，單擺的運(yùn)動不是簡諧運(yùn)動、只有當(dāng)擺角很小時（小于50時），單擺的運(yùn)動才可以看作是簡諧運(yùn)動.當(dāng)擺角較大時，上面的公式需要加以修正.

單擺在實際生活中很有用，惠更斯在1656年首先利用單擺的等時性發(fā)明了帶擺的計時器（1657年獲得專利），由于單擺的周期可以通過改變擺長來調(diào)節(jié)，所以計時很方便，因此現(xiàn)在仍然應(yīng)用在時鐘里.而且利用單擺的等時性還可以測定各地的重力加速度.

二、理想模型

理想模型是為了便于研究而建立的一種高度抽象的理想對象.作為科學(xué)抽象的結(jié)果，“理想模型”也是一種科學(xué)概念，但是它不同于一般科學(xué)概念.引入理想模型可以使問題的處理大為簡化，而又不會發(fā)生多大的偏差.對于比較復(fù)雜的研究對象，可以先研究它的理想模型，然后對研究結(jié)果進(jìn)行修正，使它與實際的對象相符合.理想模型一般可分為對象模型、條件模型、過程模型等.

1.對象模型.所謂對象模型，就是用來等效代替研究對象實體的理想化模型 ，例如質(zhì)點(diǎn)、彈簧振子、點(diǎn)電荷、理想變壓器、點(diǎn)光源、光線等都屬于對象模型.對象模型的建立，會使得我們解決問題大為簡化.如在研究地球繞太陽公轉(zhuǎn)時，忽略地球的自轉(zhuǎn)效應(yīng)，我們把地球看作一個質(zhì)點(diǎn)，就很簡單明了.

2.條件模型.把研究對象所處的外部條件理想化建立的模型叫做條件模型.如光滑表面、輕桿、細(xì)繩、均勻介質(zhì)、勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場等都屬于條件模型.在研究物體運(yùn)動時，把所處的條件理想化，抓主要因素，同樣會使問題簡明化，而對其研究的結(jié)果影響又極其微小，它還會使得某些本來無法解決的問題得以解決.

3.過程模型.實際的物理過程都是有諸多因素共同作用的結(jié)果，忽略次要因素的作用，只考慮主要因素引起的變化過程叫做過程模型.例如，在空氣中自由下落的物體，在高度不大時，空氣阻力比起重力可以忽略不計時，可抽象為自由落體運(yùn)動，這就是一個理想化的模型.勻速直線運(yùn)動、勻變速直線運(yùn)動、拋體運(yùn)動、勻速圓周運(yùn)動、簡諧運(yùn)動、等溫過程、絕熱過程等都屬于過程模型.

在認(rèn)識和理解物理模型時，應(yīng)每種模型都有限定的適用條件和適用范圍.把一個實際問題構(gòu)建成什么樣的模型，要具體問題具體分析.在物理學(xué)上，任何模型都是在特定的條件下構(gòu)建起來的，這就要求我們在選擇模型時，要綜合考慮研究問題的目的、性質(zhì)，然后再作出正確的抉擇.

參考文獻(xiàn)：

[1] 簡明物理辭典.1983（12）. 湖北人民出版社.

[2] 江守一郎.模型實驗的理論和應(yīng)用. 科學(xué)出版社，1984（8）.

[江蘇省句容市實驗高級中學(xué) （212400）]