物理教學(xué)中理想化知識(shí)點(diǎn)

邵曉明

所謂的理想化，就是在現(xiàn)實(shí)世界不存在的一種假想.在物理學(xué)科中，涉及許多理想化的模型.理想化模型包括對(duì)象模型、過(guò)程模型等.理想化知識(shí)點(diǎn)和理想化方法，為物理教學(xué)增添了濃重的一筆.

一、過(guò)程理想化——瞬時(shí)速度

在物理知識(shí)體系中，存在速度理想化的內(nèi)容，那就是瞬時(shí)速度.從數(shù)學(xué)的思想和角度出發(fā)，物理學(xué)中的瞬時(shí)速度是有違常理的.因?yàn)榧词故且粋€(gè)非常短暫的時(shí)間，物體在這個(gè)短暫的時(shí)間里進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，體現(xiàn)出來(lái)的還是一個(gè)過(guò)程.無(wú)論物體怎樣運(yùn)動(dòng)，它都是一個(gè)過(guò)程和狀態(tài).瞬時(shí)速度在高中物理中的滲透，常常令學(xué)生百思不得其解.速度的理想化，即瞬時(shí)速度的出現(xiàn)，簡(jiǎn)化了高中物理學(xué)科知識(shí)的復(fù)雜性和難理解性，便于學(xué)生解決物理問(wèn)題.可以說(shuō)，瞬時(shí)速度就是高中物理知識(shí)體系中一道亮麗的風(fēng)景.例如，在物理學(xué)習(xí)中，常常遇到關(guān)于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的物理問(wèn)題.瞬時(shí)速度在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器中得到廣泛應(yīng)用，能將復(fù)雜的物理問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化.如，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上依次發(fā)出A、B、C、D、E五個(gè)點(diǎn)，假設(shè)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)運(yùn)動(dòng)是勻速直線運(yùn)動(dòng)，且A到E之間的距離為0.4m，在整個(gè)打點(diǎn)過(guò)程中，共花費(fèi)2s的時(shí)間，求打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打到C點(diǎn)時(shí)的速度.這是關(guān)于瞬時(shí)速度的典型題目.在勻速直線運(yùn)動(dòng)中，中間時(shí)候的瞬時(shí)速度等于這段時(shí)間的平均速度.因此，在C點(diǎn)時(shí)的速度為0.2m/s.根據(jù)平均速度的基本公式v=xt，瞬時(shí)速度就是時(shí)間無(wú)限接近于零時(shí)的速度.然而，時(shí)間會(huì)無(wú)限地小，但是只要物體在運(yùn)動(dòng)，時(shí)間永遠(yuǎn)也不可能是0.在高中物理知識(shí)里，瞬時(shí)速度就是一個(gè)簡(jiǎn)單的理想化例子.

二、實(shí)驗(yàn)理想化——伽利略斜面實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)理想化，就是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，假定某些實(shí)驗(yàn)條件處于理想狀態(tài).為了方便結(jié)論的得出，理想化實(shí)驗(yàn)在物理中普遍存在.理想化實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)中的一些基本條件，尤其是外界環(huán)境的影響，給出了足夠的優(yōu)化，最大限度地使實(shí)驗(yàn)條件富有一定的理想優(yōu)勢(shì).在物理學(xué)中，伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)，就是典型的理想化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?以伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)為例，分析理想化狀態(tài)時(shí)物體運(yùn)動(dòng)與力之間的關(guān)系，這是伽利略理想化實(shí)驗(yàn)的基本研究對(duì)象.通過(guò)科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评?，伽利略認(rèn)為：如果一切接觸面都是光滑的，即物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不再受到摩擦力的作用，將摩擦力進(jìn)行理想化，假設(shè)其為零，一個(gè)鋼珠從斜面的某一高度A處?kù)o止?jié)L下，由于只受重力，沒(méi)有阻力產(chǎn)生能量損耗，那么它必定到達(dá)另一斜面的同一高度C.如果把斜面放平緩一些，也會(huì)出現(xiàn)同樣的情況.如果將斜面變成水平面，鋼珠就會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去.鋼珠因?yàn)檎也坏酵瑯拥母叨榷恢北３忠环N運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，永不停止地運(yùn)動(dòng)下去.伽利略的理想化實(shí)驗(yàn)，闡述了運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系.他提出力不是維持運(yùn)動(dòng)的原因，成為物理學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)重要事件，為后來(lái)力學(xué)的物理研究提供了一定的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)作用.需要指出的是，伽利略的這種理想化實(shí)驗(yàn)有悖常理.在自然界中，沒(méi)有絕對(duì)光滑的接觸面，或多或少地物體都會(huì)受到摩擦力的作用.為了方便實(shí)驗(yàn)研究，伽利略對(duì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了理想化，得出了推理結(jié)果.

三、帶電體理想化——點(diǎn)電荷

電荷，具有一定的體積、大小和質(zhì)量.電荷同一切物體一樣，具有質(zhì)量、密度等基本特征，然而物理課程中，在普遍的靜電場(chǎng)題目中，電荷被賦予新的內(nèi)涵，即當(dāng)電荷本身對(duì)研究對(duì)象沒(méi)有影響時(shí)，可以將電荷簡(jiǎn)化為一個(gè)點(diǎn)，沒(méi)有實(shí)在的意義.點(diǎn)電荷的理想化，與質(zhì)點(diǎn)其實(shí)如出一轍，都是因?yàn)樗鼈儗?duì)研究對(duì)象、解題過(guò)程沒(méi)有影響，或是影響可以忽略不計(jì)時(shí)，進(jìn)行的高度簡(jiǎn)化，即理想化.以點(diǎn)電荷的理想化為例，分析和闡述物理學(xué)科中理想化知識(shí)點(diǎn).關(guān)于理想狀態(tài)下的電荷，判斷能夠?qū)㈦姾煽醋鼽c(diǎn)電荷，是物理學(xué)中常見(jiàn)的考點(diǎn)設(shè)置.如，下面關(guān)于點(diǎn)電荷的說(shuō)法中，正確的是（）.A.只有體積非常小的帶電體，才能當(dāng)作點(diǎn)電荷 B.體積很大的帶電體，一定不能當(dāng)作點(diǎn)電荷 C.當(dāng)兩個(gè)帶電體的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它們之間的距離時(shí)，可以看作點(diǎn)電荷 D.一切帶電體，都可以看作點(diǎn)電荷 根據(jù)帶電體能否被看作點(diǎn)電荷的基本條件，在以上的說(shuō)法中，只有選項(xiàng)C符合點(diǎn)電荷的條件.當(dāng)帶電體對(duì)研究的問(wèn)題沒(méi)有影響時(shí)，才可以被當(dāng)作點(diǎn)電荷，這與其體積的大小無(wú)關(guān)，很大的帶電體有可能被看作點(diǎn)電荷，而體積很小的帶電體也有可能不被當(dāng)作點(diǎn)電荷.點(diǎn)電荷的理想化，簡(jiǎn)化了物理學(xué)中的復(fù)雜知識(shí)，特別是在庫(kù)倫定律的應(yīng)用中，點(diǎn)電荷發(fā)揮了不可估量的作用.

總之，在物理教學(xué)中，存在許多理想化的知識(shí)與模型.這些理想化對(duì)象、實(shí)驗(yàn)和方法的存在，加強(qiáng)了物理學(xué)科的本身特色，讓物理學(xué)科的學(xué)習(xí)變得更加有趣.理想化知識(shí)的出現(xiàn)，推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展進(jìn)程.endprint