物理學(xué)中理想模型的建立

摘 要：在對(duì)理想模型特征深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，教學(xué)中注重培養(yǎng)學(xué)生建立理想模型的意識(shí)和方法，提高運(yùn)用理想模型解決問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：理想模型；科學(xué)抽象；思維方法

一、理想化模型的概述

理想化模型是根據(jù)研究的物理問(wèn)題的需要，從客觀存在的事物中抽象出來(lái)的一種簡(jiǎn)單、近似、直觀的模型。具體地說(shuō)，是對(duì)事物的各個(gè)物理因素加以分析，忽略與問(wèn)題無(wú)關(guān)或影響較小的因素，突出對(duì)問(wèn)題起作用較大的主要因素，從而把問(wèn)題簡(jiǎn)化。例如，力學(xué)上所研究的只有一定質(zhì)量而沒(méi)有一定形狀和大小的質(zhì)點(diǎn)；分子物理學(xué)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(jì)的理想氣體；電學(xué)中所研究的沒(méi)有空間大小的點(diǎn)電荷等，這些都是理想模型。

作為理想化模型的各種形態(tài)，都是在現(xiàn)實(shí)世界中找不到的，但是，理想模型并不是脫離實(shí)際的主觀臆想，它是以客觀事實(shí)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(jié)果，它也是對(duì)客觀事實(shí)的一種反映，而客觀存在的復(fù)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(chǎng)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(duì)客觀事實(shí)的一種近似反映，它突出地反映了客觀事實(shí)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(duì)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(duì)流動(dòng)性的突出反映等。物理學(xué)發(fā)展史上許多重大發(fā)現(xiàn)與結(jié)論，都是由科學(xué)家通過(guò)大膽的猜想，創(chuàng)建科學(xué)的理想模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)或?qū)嵺`驗(yàn)證，模型與事實(shí)相吻合的基礎(chǔ)上得出的，例如，有了伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)，才有了慣性的重大發(fā)現(xiàn)；有了質(zhì)點(diǎn)這一理想模型，便有了牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律。理想化模型把可靠的事實(shí)和深刻抽象的思維結(jié)合起來(lái)，便是科學(xué)研究問(wèn)題的一種重要方法——以客觀事實(shí)為依據(jù)是理想模型特征之三。

二、理想化模型建立的原則

1.突出問(wèn)題的主要因素，忽略次要因素

物理學(xué)研究的對(duì)象或問(wèn)題往往比較復(fù)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(duì)象或問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)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(jù)所研究問(wèn)題的需要而定，并不是不變的

把一個(gè)實(shí)際問(wèn)題抽象為什么樣的模型，要具體問(wèn)題具體分析，即使同一個(gè)研究對(duì)象，在不同的問(wèn)題中抽象成不同的模型。例如，研究地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)這類問(wèn)題時(shí)，把地球看作質(zhì)點(diǎn)來(lái)研究；但研究地球自轉(zhuǎn)這類問(wèn)題時(shí)，地球形狀不能忽略，地球不能看成質(zhì)點(diǎn)。因此，解決物理問(wèn)題選擇模型要結(jié)合所研究問(wèn)題目的、性質(zhì)等來(lái)選擇模型，不能隨便把什么對(duì)象、什么條件、什么過(guò)程歸入某一種模型，要根據(jù)具體問(wèn)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(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展

理想模型作為一種抽象思維方法可以使人們對(duì)實(shí)際的科學(xué)實(shí)驗(yàn)理解更深刻，進(jìn)一步揭示客觀現(xiàn)象和過(guò)程之間內(nèi)在的邏輯聯(lián)系，并由此得出一些重要結(jié)論。

例如，作為經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)的慣性定律，就是理想模型中條件理想化的一個(gè)重要結(jié)論。伽利略注意到，當(dāng)一個(gè)小球從一個(gè)斜面上滾下又滾上第二個(gè)斜面上，球在第二個(gè)斜面上所達(dá)到的高度同它所在第一斜面上開(kāi)始滾下時(shí)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(chǎn)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(gè)斜面傾斜度完全消除了，那么小球從第一個(gè)斜面滾下之后，將以恒定速度在無(wú)限長(zhǎng)的平面上永遠(yuǎn)不停地運(yùn)動(dòng)下去。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橛肋h(yuǎn)無(wú)法將摩擦完全消除，但是，正是因?yàn)橘だ詷?gòu)建了光滑這一理想模型，卻打破了自亞里士多德以來(lái)一千多年間關(guān)于受力運(yùn)動(dòng)的物體，當(dāng)外力停止作用時(shí)，便歸于靜止的陳舊觀念，為近代力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)，后來(lái)這個(gè)結(jié)論被牛頓總結(jié)為運(yùn)動(dòng)第一定律，即慣性定律。

法拉第在1852年，對(duì)帶電體、磁體周圍空間存在的物質(zhì)，設(shè)想出電場(chǎng)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(chǎng)的概念，對(duì)當(dāng)前的傳統(tǒng)觀念是一個(gè)重大的突破?？梢?jiàn)，理想模型的建立促進(jìn)了物理學(xué)科的縱深發(fā)展。

2.理想模型建立簡(jiǎn)化了物理問(wèn)題的研究

由于客觀事物具有質(zhì)的多樣性，它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律往往非常復(fù)雜，不可能一下子把他們認(rèn)識(shí)清楚，而采用理想化的方法研究問(wèn)題，就可以使事物的規(guī)律更明確，從而便于人們?nèi)フJ(rèn)識(shí)和掌握。理想模型建立不僅可以使問(wèn)題簡(jiǎn)化、處理方便，也能反映和突出事物的本質(zhì)特征。

例如，研究地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于地球直徑（約1.3×104 km）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地球與太陽(yáng)之間的平均距離（約1.5×108 km），就可以不考慮地球各部分運(yùn)動(dòng)的差異和地球本身大小，而把地球看成質(zhì)點(diǎn)，這樣就大大簡(jiǎn)化了地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)這一問(wèn)題的研究。

再如，當(dāng)我們討論像電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)、炮彈的自旋、船舶在水中顛簸以及起重機(jī)或橋梁平衡等問(wèn)題時(shí)，這些問(wèn)題看起來(lái)很復(fù)雜，我們似乎感到束手無(wú)策，因?yàn)樵谶@些問(wèn)題中，物體的形狀、大小往往起著重要的作用，這時(shí)我們必須考慮物體形狀和大小，以及隨之而來(lái)的物體在力和運(yùn)動(dòng)影響下形狀和大小發(fā)生變化的問(wèn)題，如果在研究物體運(yùn)動(dòng)時(shí)把形狀和大小的變化都考慮在內(nèi)，會(huì)使問(wèn)題變得相當(dāng)復(fù)雜。值得慶幸的是，在很多情況下，物體受力和運(yùn)動(dòng)時(shí)，變形都很小，基本上保持原來(lái)大小和形狀不變，為了便于研究，我們抓住了問(wèn)題的主要方面和本質(zhì)方面，從而提出“剛體”這一理想模型。剛體模型的提出大大簡(jiǎn)化了以上出現(xiàn)的各種看似復(fù)雜的問(wèn)題。

3.理想模型的建立培養(yǎng)了學(xué)生正確的科學(xué)思維

理想模型的建立使學(xué)生的思維更敏捷，提高了分析問(wèn)題和解決問(wèn)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(guò)渡階段，具有很大的具體形象性。針對(duì)學(xué)生這一思維發(fā)展階段，在實(shí)施物理教學(xué)時(shí)，采用理想化模型有助于學(xué)生思維能力的科學(xué)培養(yǎng)。在培養(yǎng)學(xué)生思維能力時(shí)，首先要培養(yǎng)學(xué)生初步分析、概括和解決問(wèn)題的能力，即主要是區(qū)分有關(guān)、無(wú)關(guān)因素，找出共同特征，從而概括出概念和規(guī)律以及會(huì)分析解決簡(jiǎn)單的實(shí)際問(wèn)題，而理想化模型就是由實(shí)驗(yàn)、生活現(xiàn)象到形成概念、規(guī)律以及利用知識(shí)處理實(shí)際問(wèn)題的橋梁。另外，理想模型的建立還是分析解決物理問(wèn)題的基礎(chǔ)，像由質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)推演處理剛體、質(zhì)點(diǎn)組的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；由點(diǎn)電荷的特性通過(guò)疊加或積分處理帶電體問(wèn)題等，因而教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生建立理想模型，是科學(xué)方法教育的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

四、理想化模型建立的方法

1.突出理想化模型建立過(guò)程的方法教育

理想化模型中學(xué)已涉及一部分，例如，質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、功的原理、理想氣體等，在進(jìn)行這些內(nèi)容教學(xué)時(shí)要有意識(shí)地突出理想化模型的建立過(guò)程。例如，在教學(xué)“牛頓第一定律”時(shí)，首先詳細(xì)觀察、記錄課文里伽利略斜面實(shí)驗(yàn)，然后再對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行邏輯推理得出運(yùn)動(dòng)規(guī)律。處理好這一思維過(guò)程，不僅使學(xué)生掌握了定律，而且重要的是對(duì)運(yùn)用推理總結(jié)出規(guī)律的方法有了深刻的認(rèn)識(shí)。

2.正確處理具體客體向抽象客體的思維過(guò)渡

實(shí)施物理教學(xué)時(shí)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，運(yùn)用符合學(xué)生心理特征的方法讓學(xué)生接受抽象的東西，由于學(xué)生對(duì)具體的東西認(rèn)識(shí)比較根深蒂固，對(duì)抽象的東西難于接受，因此在教學(xué)過(guò)程中著重引導(dǎo)學(xué)生形成清晰的理想模型。例如，在講述質(zhì)點(diǎn)概念時(shí)，要有意識(shí)地向?qū)W生介紹這種科學(xué)抽象的方法，抓住問(wèn)題的主要特征，簡(jiǎn)化對(duì)物體的研究，把物體看成一個(gè)點(diǎn)，為了讓學(xué)生理解質(zhì)點(diǎn)，可舉一些事例讓學(xué)生思考討論：把教室椅子從第一排移到第五排，怎樣測(cè)量距離；汽車從學(xué)校行駛到體育場(chǎng)，怎樣測(cè)量距離等。在學(xué)生討論過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生想到我們?cè)谔幚磉@些問(wèn)題時(shí)常常不考慮物體各部分差異，把物體簡(jiǎn)化成一個(gè)沒(méi)有大小、形狀的點(diǎn)，即質(zhì)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)這樣的教學(xué)，質(zhì)點(diǎn)這個(gè)理想模型在學(xué)生的思維中就建立起來(lái)了，更重要的是學(xué)生掌握了研究問(wèn)題的這種科學(xué)抽象方法。

3.將物理模型的構(gòu)建作為知識(shí)應(yīng)用訓(xùn)練的重要環(huán)節(jié)

在培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力時(shí)，其中一個(gè)重要手段就是解題，它要求學(xué)生綜合應(yīng)用已有知識(shí)，進(jìn)行統(tǒng)籌分析。從解決問(wèn)題認(rèn)識(shí)心理學(xué)角度來(lái)看，解題過(guò)程是一個(gè)“信息輸入→信息加工→信息輸出”的過(guò)程，解題者必須主動(dòng)地對(duì)題目的信息發(fā)現(xiàn)、辨認(rèn)、理解，將感知信息“錄像”建立正確模型，然后進(jìn)行信息加工，用題目中的信息和儲(chǔ)存在頭腦中的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)解決問(wèn)題，然而在一些物理問(wèn)題中，題目中不是直接給出理想模型，這就需要根據(jù)實(shí)際問(wèn)題將其轉(zhuǎn)化為物理問(wèn)題與我們頭腦中理想化模型相銜接，才能應(yīng)用物理知識(shí)求解。

綜上所述，物理學(xué)中的一些原理、定律都是對(duì)于一定的理想模型的行為刻畫，可以說(shuō)，離開(kāi)了理想模型，物理學(xué)寸步難行，許多有成就的物理學(xué)家，往往是善于提出新的理想模型的人。因此，在教學(xué)中注意培養(yǎng)學(xué)生建立、運(yùn)用理想模型的能力，一方面符合物理科學(xué)的認(rèn)識(shí)發(fā)展，另一方面提高學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]竇俊飛.關(guān)于初中物理模型教學(xué).中學(xué)物理，1996（7）.

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

（作者單位 山西省運(yùn)城市財(cái)經(jīng)學(xué)校）

編輯 魯翠紅