物理學(xué)中的理想化方法

理想化方法是人們?cè)谡J(rèn)識(shí)事物 、探索事物內(nèi)在本質(zhì)及規(guī)律的過(guò)程中形成的一種理論思維方法。在研究物理過(guò)程中，往往由于過(guò)程的影響因素比較多，要發(fā)現(xiàn)過(guò)程中的本質(zhì)及規(guī)律是不容易，或者是不可能的.因此我們需要對(duì)整個(gè)過(guò)程或過(guò)程中的某一部分進(jìn)行假設(shè)而建立過(guò)程簡(jiǎn)單化的理想模型，目的是抓住問(wèn)題主要的、本質(zhì)的因素。舍棄其次要的、非本質(zhì)的因素，變復(fù)雜條件的實(shí)際過(guò)程為簡(jiǎn)單的理想化過(guò)程。這樣，我們就可以透過(guò)事物的表面現(xiàn)象，比較容易地發(fā)現(xiàn)事物的本質(zhì)及變化規(guī)律。物理學(xué)中的許多物理概念和物理定理、定律就是通過(guò)這樣的方法建立起來(lái)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(guò)程中為了便于發(fā)現(xiàn)其中本質(zhì)和規(guī)律而建立的一種抽象的，理想的事物形態(tài)，是對(duì)某些事物中所包含的本質(zhì)及規(guī)律采用逐步逼近的描述方法。例如，在電學(xué)中研究電荷間的相互作用時(shí)，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(duì)位置及介質(zhì)等諸多因素的影響，若不分主次的考慮各種因素，會(huì)感到無(wú)從下手，也就無(wú)法得到最終的結(jié)果。在人類歷史發(fā)展過(guò)程中，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)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(shí)，起決定作用的就是電荷的電量和介質(zhì)的介電常數(shù)，其形狀、大小、電荷的分布可忽略不計(jì)。從而建立起“點(diǎn)電荷的理想模型”，這樣，突出了對(duì)所研究問(wèn)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(duì)復(fù)雜問(wèn)題的研究。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)氣體進(jìn)行模型化：當(dāng)分子間的距離接近十倍或 大于十倍分子直徑時(shí)，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(guān)系一一氣體狀態(tài)方程。顯然，如果沒(méi)有“點(diǎn)電荷”這個(gè)理想模型的建立，就沒(méi)有庫(kù)侖定律。沒(méi)有氣體模型和理想氣體模型的建立，就沒(méi)有氣體狀態(tài)方程。同樣，如果沒(méi)有質(zhì)點(diǎn)的建立，便不會(huì)有牛頓定律和萬(wàn)有引力定律。物理學(xué)中的物理模型非常多，可以說(shuō)，物理的全部定理、定律和公式都是對(duì)物理模型的刻畫。物理模型化是物理學(xué)研究普遍采用的方法，是建立和發(fā)展物理理論的重要手段 離開物理模型，物理學(xué)的研究就寸步難行。

物理過(guò)程的理想化：自然界中各種運(yùn)動(dòng)過(guò)程非常復(fù)雜，為了研究問(wèn)題的方便 我們可以忽略次要因素，突出物體運(yùn)動(dòng)的主要特征和規(guī)律，把運(yùn)動(dòng)過(guò)程想象為一種簡(jiǎn)單化的、實(shí)際上不存在但又經(jīng)得起實(shí)踐驗(yàn)證的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在研究物體的碰撞問(wèn)題時(shí)，認(rèn)為該系統(tǒng)只在碰撞物體間內(nèi)力的相互作用下發(fā)生的，其他力與內(nèi)力相比，均可以忽略不計(jì)。在此條件下，這一系統(tǒng)遵循動(dòng)量守恒定律。而完全彈性碰撞規(guī)律又是建立在理想碰撞的這一理論過(guò)程的基礎(chǔ)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(nèi)力屬于彈力，這樣的形變就能完全恢復(fù)。顯然整個(gè)碰撞過(guò)程只存在動(dòng)能和彈性勢(shì)能之間的相互轉(zhuǎn)化，因此碰撞前后系統(tǒng)動(dòng)量守恒。力學(xué)中研究物體在光滑平面或無(wú)摩擦軌道上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，熱學(xué)中研究理想氣體等質(zhì)纂過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)換等都采用的是理想化過(guò)程。所謂等容、等壓、等溫及絕熱過(guò)程也是理想化過(guò)程。同樣在研究地球表面上物體的下落運(yùn)動(dòng)時(shí)，往往被視為自由落體運(yùn)動(dòng)，那是因?yàn)樵诼潴w運(yùn)動(dòng)過(guò)程中忽略了空氣、阻力、重力隨高度變化等因素，認(rèn)識(shí)物體只在恒定的重力作用下的下落過(guò)程。顯然，滿足自由落體運(yùn)動(dòng)條件的物體在自然界中無(wú)法實(shí)現(xiàn)，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(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)處理，所以自由落體理想過(guò)程的建立有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。物理學(xué)中的過(guò)程處處可見(jiàn)，理想過(guò)程是對(duì)實(shí)際過(guò)程的一種科學(xué)的近似，也是對(duì)實(shí)際過(guò)程進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)。對(duì)理想過(guò)程的研究，很容易發(fā)現(xiàn) 實(shí)際過(guò)程中所包含的規(guī)律，能更準(zhǔn)確更深刻的抓住問(wèn)題的實(shí)質(zhì)。這種方法也普遍運(yùn)用于其他領(lǐng)域。理想實(shí)驗(yàn)是一種假想的實(shí)驗(yàn)，是人們?cè)谒枷胍庾R(shí)中塑造的一種理想過(guò)程，但它是一種邏輯推理的思維過(guò)程和理論研究的重要方法。它不是脫離實(shí)際的主觀臆想，而是在真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，抓住主要因素，排除次要因素，對(duì)實(shí)際過(guò)程作出更深層次的抽象分析，指出客觀現(xiàn)象的過(guò)程之間的內(nèi)在聯(lián)系及其規(guī)律，并由此得出重要結(jié)論 。

愛(ài)因斯坦就十分重視理想實(shí)驗(yàn)的研究，他通過(guò)設(shè)想的閃電理想實(shí)驗(yàn)，提出了同時(shí)性的相對(duì)性概念。他設(shè)想當(dāng)兩道閃電同時(shí)下?lián)粢粭l東西方向的鐵路軌道時(shí)，對(duì)站在兩道閃電 中的觀察者來(lái)說(shuō)，這兩道閃電是同時(shí)發(fā)生的，但是對(duì)于乘坐一列由東向西高速行駛的火車上的觀察者來(lái)說(shuō)，這兩道閃電不是同時(shí)下?lián)舻?，同時(shí)性的相對(duì)性概念是建立狹義相對(duì)論的一個(gè)關(guān)鍵。伽利略的“平斜槽”理想實(shí)驗(yàn)，一方面使人們對(duì)力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系的認(rèn)識(shí)有了劃時(shí)代的轉(zhuǎn)變，闡明物體的運(yùn)動(dòng)并不需要外力來(lái)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(yùn)動(dòng)是勻加速直線運(yùn)動(dòng)。而慣性定律是無(wú)法用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的，很多的自由落體運(yùn)動(dòng)也不便通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而采用理想實(shí)驗(yàn)來(lái)論證，人們可以深信不疑。人類歷史的長(zhǎng)河中的大量實(shí)踐已證實(shí)了理想化方法的合理性，并在科學(xué)研究中已成為一種獨(dú)特的、無(wú)法替代的理論思維方法。（單位：新疆新源縣第五中學(xué)）