理想模型在物理學(xué)中的應(yīng)用

馮君生 黨婕

理想模型，作為物理學(xué)家推導(dǎo)、建立許多的定理和公式的重要依據(jù)之一，對(duì)整個(gè)物理學(xué)的研究與學(xué)習(xí)起到了極其重要的作用。無(wú)論在解決理論問(wèn)題方面，還是在實(shí)際測(cè)算領(lǐng)域，理想模型都是一個(gè)重要的工具。所以，引導(dǎo)初學(xué)者經(jīng)歷這樣一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程：初步接觸、理解、應(yīng)用乃至深度應(yīng)用物理學(xué)中的理想模型。尤其是對(duì)于電動(dòng)力學(xué)的初學(xué)者而言，毫無(wú)疑問(wèn)，這是電動(dòng)力學(xué)教學(xué)過(guò)程中的重要一環(huán)。

一、理想模型在電動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用

電動(dòng)力學(xué)中有著許許多多的理想模型，下面就舉出幾個(gè)電動(dòng)力學(xué)中模型的例子。

1.點(diǎn)電荷

某個(gè)空間內(nèi)，存在著兩個(gè)相互作用的帶電物體，而這兩者之間相隔的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩個(gè)電荷的線度時(shí)，往往為了研究的簡(jiǎn)便和單一性，我們把電荷理想成一個(gè)點(diǎn)電荷——這個(gè)點(diǎn)電荷的大小線度近乎為零，形狀也不足以會(huì)影響兩者作用結(jié)果，或者說(shuō)，此時(shí)把它近似地看做一個(gè)帶電的純幾何點(diǎn)。這樣的近似模型，就是一個(gè)很簡(jiǎn)單的理想模型。

點(diǎn)電荷有時(shí)會(huì)被認(rèn)為是指幾何線度無(wú)限小即縮成幾何上的點(diǎn)的電荷，實(shí)際上并非如此。所謂點(diǎn)電荷并非是指幾何線度無(wú)窮小，而是其形狀與電荷在帶電體中的分布對(duì)所研究的問(wèn)題已無(wú)關(guān)緊要。

點(diǎn)電荷這種理想模型是實(shí)際帶電體的抽象和近似。它使許多復(fù)雜多樣的實(shí)際問(wèn)題分解或者簡(jiǎn)化為某種基本問(wèn)題。例如：洛倫茲力公式推導(dǎo)建立、試驗(yàn)電荷的引入以及帶電體產(chǎn)生的電場(chǎng)和帶電體之間相互作用的定量研究等。

2.電場(chǎng)線以及磁感應(yīng)線

為形象地描述出某種物質(zhì)的形狀、特征，英國(guó)物理學(xué)家法拉第人為畫出一些有著特殊形狀的曲線，以便研究的實(shí)體形象化，這便是電場(chǎng)線與磁感應(yīng)線產(chǎn)生的原始目的。

在研究電場(chǎng)過(guò)程中，電場(chǎng)線被畫出，作為電場(chǎng)分布形象描述的輔助工具。在電場(chǎng)線描述的電場(chǎng)中，一些物理量被合理地解釋和適當(dāng)?shù)乩斫?，如?chǎng)強(qiáng)等等。電場(chǎng)線也是一個(gè)理想模型，它實(shí)際上并不存在。

磁感應(yīng)線與電場(chǎng)線十分相似，磁感應(yīng)線也是假象出來(lái)，用作描述磁場(chǎng)分布的空間曲線簇，人們借助磁感應(yīng)線更加形象地理解磁場(chǎng)中的相互作用和發(fā)生的一切變化。

二、理想模型在電動(dòng)力學(xué)教學(xué)中的作用

1.理想模型形成了電動(dòng)力學(xué)相關(guān)概念建立物理規(guī)律的基礎(chǔ)

電動(dòng)力學(xué)的主要目的是探索電磁場(chǎng)中各種粒子最基本的運(yùn)動(dòng)形態(tài)、粒子結(jié)構(gòu)及相互作用，要達(dá)到這種目的，必須得出反映微觀粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程在一定條件的物理規(guī)律，并要求在此基礎(chǔ)上形成系統(tǒng)嚴(yán)密的電動(dòng)力學(xué)理論，而由于微觀世界粒子的復(fù)雜性和多樣性，完全按照物理客體的本來(lái)面目進(jìn)行研究，問(wèn)題將變得很復(fù)雜，很難得出定量物理規(guī)律和系統(tǒng)的物理理論，這就要求對(duì)其進(jìn)行抽象，得出能反映粒子客體本質(zhì)屬性的理想模型。

理想模型是電動(dòng)力學(xué)規(guī)律、理論與客觀世界之間的中間環(huán)節(jié)，所以說(shuō)，理想模型是電動(dòng)力學(xué)規(guī)律和理論賴以建立的基礎(chǔ)。

2.理想模型所得出的結(jié)論具有較強(qiáng)的適用性

在構(gòu)建電動(dòng)力學(xué)理想模型時(shí)，雖然忽略了一些次要因素，但由于保留了影響物理性質(zhì)的主要因素，因而得出的結(jié)論具有適用性，其結(jié)果雖然有其近似的一面，但物理學(xué)家們只要對(duì)這些結(jié)論進(jìn)行適當(dāng)修正，便可與實(shí)際物理過(guò)程較好地符合。

三、高中物理教學(xué)當(dāng)中理想模型的應(yīng)用

物理作為我國(guó)素質(zhì)教育中的一部分，在高中物理教學(xué)中，物理知識(shí)都是一些比較抽象的規(guī)律和定律，對(duì)于這些抽象化的知識(shí)，如果老師只是一味地講述，學(xué)生在學(xué)起來(lái)就會(huì)顯得比較吃力。理想模型是為了便于研究而建立的一種高度抽象的理想客體，在高中物理教學(xué)中，能夠?qū)⒊橄蠡闹R(shí)簡(jiǎn)單化，從而便于學(xué)生掌握，保障教學(xué)質(zhì)量。

1.提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握能力

在我國(guó)高中物理教學(xué)中，物理知識(shí)都是一些比較抽象的東西，許多物理概念是反映物理現(xiàn)象和過(guò)程本質(zhì)屬性的思維。利用理想模型，根據(jù)教學(xué)內(nèi)建立相應(yīng)的模型，通過(guò)模型來(lái)將抽象的概念實(shí)體化、簡(jiǎn)明化，從而提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握能力和理解能力。例如，某高中教師在講解牛頓定律的時(shí)候，老師為了加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的了解，利用多媒體技術(shù)建立這樣一個(gè)模型：兩個(gè)水平面，其中一個(gè)水平面上鋪設(shè)毛巾，兩分塊木頭別置于兩個(gè)不同的平面上，用力推木頭，木頭向前滑動(dòng)，當(dāng)推力停止時(shí)，木頭就會(huì)停下。通過(guò)這樣的模型來(lái)加深學(xué)生對(duì)牛頓定律的了解與認(rèn)識(shí)，同時(shí)也活躍課堂氛圍，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2.提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)

理想模型是根據(jù)物理規(guī)律客觀存在的特性進(jìn)行模型建立，通過(guò)模型可以簡(jiǎn)化知識(shí)，在一定條件下，作為一種近似，可以把實(shí)際事物當(dāng)作模型來(lái)處理，從而揭示物理規(guī)律的處理問(wèn)題的方法。例如，在某高中物理教學(xué)中，在研究天體運(yùn)動(dòng)這一知識(shí)時(shí)，老師利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，將天體運(yùn)動(dòng)的軌跡通過(guò)模型建造來(lái)進(jìn)行表述，通過(guò)簡(jiǎn)化天體運(yùn)動(dòng)這一抽象的知識(shí)，學(xué)生通過(guò)模型了解到天體運(yùn)動(dòng)的軌跡是橢圓運(yùn)動(dòng)，從而加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握，同時(shí)橢圓運(yùn)動(dòng)又與數(shù)學(xué)有著密切的關(guān)聯(lián)，通過(guò)模型建造不僅可以提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，還可以達(dá)到一舉多得的教學(xué)效果。

物理作為一門抽象化的學(xué)科，在我國(guó)高中階段，學(xué)生對(duì)抽象化的物理知識(shí)較為難以理解和掌握。同時(shí)在我國(guó)當(dāng)前社會(huì)發(fā)展形勢(shì)下，社會(huì)對(duì)人才的需求日益膨脹，高中物理作為我國(guó)素質(zhì)教育中的一部分，保障其教學(xué)質(zhì)量有著重要意義。隨著教學(xué)方法種類的增多，理想模型作為一種教學(xué)方法已經(jīng)被普遍地應(yīng)用于我國(guó)當(dāng)前素質(zhì)教育中。將理想模型應(yīng)用于我國(guó)高中物理教學(xué)中，通過(guò)建模，將物理知識(shí)理想化、簡(jiǎn)單化、實(shí)體化，能夠有效地提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，保障物理教學(xué)質(zhì)量。

編輯 溫雪蓮