談理想化方法在物理教學(xué)中的作用

鄭春愛

摘? ?要：理想化方法是物理學(xué)研究的一種基本方法，是科學(xué)抽象的一種形式，在透過現(xiàn)象抓住本質(zhì)，簡化過程揭示規(guī)律，超越現(xiàn)有條件提出科學(xué)預(yù)見中起著十分重要的作用。本文闡述用理想化方法建立理想物理模型、設(shè)計理想實(shí)驗，通過理想化方法在教學(xué)中的運(yùn)用幫助學(xué)生理解抽象的物理概念和規(guī)律，提高他們的邏輯推理能力和科學(xué)想象力，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神。

關(guān)鍵詞：理想化方法;物理教學(xué)應(yīng)用;物理模型;理想化實(shí)驗

1? 理想化方法是科學(xué)抽象的重要方法

觀察和實(shí)驗是支撐物理學(xué)研究的基礎(chǔ)，也是在物理教學(xué)中需要著重培養(yǎng)的兩個能力，雖然這兩點(diǎn)十分重要，但是我們更應(yīng)充分注意到理性的加工和科學(xué)的抽象能夠?qū)⒂^察得來和實(shí)驗總結(jié)出來的感性材料從表面性、偶然性和非本質(zhì)性的一些因素中抽離出來，將事物內(nèi)在核心、必然性的本質(zhì)因素表現(xiàn)出來，才能揭示出事物運(yùn)動變化的規(guī)律[ 1 ]。16世紀(jì)丹麥天文學(xué)家第谷，作了30年的精密的天文觀測，積累了大量的行星運(yùn)動的感性材料，但由于他不善于進(jìn)行科學(xué)抽象，直至去世也沒有找到行星運(yùn)動的規(guī)律。而他的學(xué)生和助手，年輕的德國科學(xué)家開普勒，把他留下來的大量天文觀察資料進(jìn)行整理，經(jīng)過去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里的科學(xué)抽象，發(fā)現(xiàn)了著名的開普勒行星運(yùn)動三定律?？梢?，科學(xué)抽象在認(rèn)識自然規(guī)律中具有非常重要的意義。

理想化方法就是典型的科學(xué)抽象方法，雖然十分常見，但是行之有效。理想化方法以切實(shí)基礎(chǔ)為根本，以客觀事物為原型，抓住主要因素、忽略次要因素;將現(xiàn)實(shí)中的客體和條件轉(zhuǎn)換成理想狀態(tài)下的客體和條件，實(shí)驗前的設(shè)想、實(shí)驗過程中的推導(dǎo)以及試驗后的論證，都可以從不同角度將事物本質(zhì)發(fā)掘出來，總結(jié)出事物本質(zhì)的運(yùn)動形式、方法和規(guī)律[ 2 ]。

在初中物理課本中改造后的伽利略斜面實(shí)驗的推論就是應(yīng)用理想化方法的實(shí)例。實(shí)驗是這樣的，讓同一輛小車從某斜面的同一高度滑下，分別進(jìn)入毛巾平面、棉布平面、木板平面;隨著平面對小車摩擦阻力的減小，小車的運(yùn)動距離在增大。因此我們可以推論：小車在越光滑的平面上，受到的摩擦阻力越小，小車的運(yùn)動距離就越遠(yuǎn);若阻力為零則小車將永遠(yuǎn)運(yùn)動下去。這里“平面上不受力的小車”就是理想狀態(tài)下的客體，而事實(shí)上小車會受到來自空氣以及其他方面的摩擦力和阻力，這才是現(xiàn)實(shí)的客體;絕對水平和光滑的平面也是理想狀態(tài)才存在的條件，它們代替現(xiàn)實(shí)的條件（平面不可能絕對水平、光滑），用理想化的過程（小車在絕對光滑的平面上，不受任何阻力的運(yùn)動）代替現(xiàn)實(shí)的過程（小車在不絕對光滑的平面上，受阻力的運(yùn)動），證明了運(yùn)動是物體的固有屬性，這種思維多么精辟、多么富有創(chuàng)造性?。?6世紀(jì)的伽利略正是運(yùn)用了這種理想化的方法，推翻了禁錮人們思想達(dá)二千多年的亞里士多德貌似正確而與人們直覺印象符合的“力是物體運(yùn)動原因”的錯誤論斷，使人們的認(rèn)識產(chǎn)生了一次飛躍，思想得到了一次解放。

2? ?理想化方法在物理教學(xué)中的應(yīng)用

2.1? 用理想化方法建立理想物理模型

在進(jìn)行物理學(xué)研究時經(jīng)常會采取物理模型法，這也是教學(xué)過程中最普遍的科學(xué)方法，用理想化方法建立物理模型的例子是很多的。比如：“質(zhì)點(diǎn)”就是理想化的物理模型。質(zhì)點(diǎn)是一種忽略了物體的形狀大小，只考慮質(zhì)量（這里突出了質(zhì)量這個主要因素而撇開了大小、形狀等次要因素，用理想客體代替了現(xiàn)實(shí)客體）;實(shí)際物體都有一定形狀和大小，但如果物體上各點(diǎn)的運(yùn)動情況基本相同或者物體的線度比物體間的距離小得多時，就可以將物體系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)動造成的細(xì)微差別忽略，從而將物體視為質(zhì)點(diǎn)，忽略次要因素簡化了研究問題，但并不影響結(jié)果。又如：“剛體”是也是一種理想化的物理模型。如果物體受到外力或者外界作用，一定會發(fā)生形變，性狀、大小等屬性發(fā)生變化，但在許多情況下物體本身的這種變化對我們所研究的問題造成的誤差可以忽略不計。將物體視為剛體也起到了簡化問題的作用，也并不會影響實(shí)驗結(jié)果。

物理模型可分為模擬式模型和理想化（實(shí)體、系統(tǒng)、過程）兩種模型，前者起到了具象化實(shí)際存在但過于抽象或者無法直接通過感官感受到的事物，這樣能夠更好的進(jìn)行特點(diǎn)分析和規(guī)律總結(jié)。如：電場線、磁場線、理想氣體分子模型等等;后者是將研究對象抽象為理想形態(tài)而便于進(jìn)行研究，它重視的是問題的內(nèi)在，以性質(zhì)和其他突出因素為重點(diǎn)，忽略次要、局部和偶然的一些因素，這樣建立起的物理模型和實(shí)際相比差距很小。如：單擺、理想氣體等等，都是理想化實(shí)體模型的例子。而絕熱系統(tǒng)、孤立系統(tǒng)、封閉保守系統(tǒng)等是理想化系統(tǒng)模型的例子;可逆循環(huán)過程、準(zhǔn)靜態(tài)過程等都是理想化過程模型的例子[ 3 ]。

學(xué)生在對每一個物理模型的構(gòu)成和性質(zhì)進(jìn)行分析的過程中，都是綜合分析能力、抽象思維能力的培養(yǎng)過程，在這個過程中一個科學(xué)完整的物理模型在學(xué)生心中逐漸清晰。解題時常說的“明確物理過程”，其根本就是讓學(xué)生抓住物理模型的本質(zhì)，通過準(zhǔn)確的物理模型發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)。例如，在研究太陽系中行星公轉(zhuǎn)時，可以將行星作為質(zhì)點(diǎn)考慮;在研究地球自轉(zhuǎn)時，由于地面上不同位置的向心加速度不同，就不能再把地球當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)，但可把它看成剛體。下面舉一個借助物理模型進(jìn)行解題的例子：

跳水運(yùn)動員在完成10m跳臺跳水動作時，首先從平臺向上跳躍，雙臂垂直上舉，身體離開臺面，此時運(yùn)動員的重心在整體的中點(diǎn);起跳后重心升高0.45m，此時中心最高，身體垂直水面落水，手部先接觸水面（過程中不考慮運(yùn)動員水平方向運(yùn)動）。運(yùn)動員從臺上躍起的一瞬間直到手部接觸水面的一瞬間，他在空中可以完成整套動作的時間為多少s。

當(dāng)然我們還必須注意到人們對客觀事物的認(rèn)識層次達(dá)到一定高度，才會構(gòu)建“物理模型”;隨著研究的深入，認(rèn)識層次也會更高，原有的模型往往要被修正，甚至被否定。比如關(guān)于原子結(jié)構(gòu)，就先后出現(xiàn)過幾種模型：有1903 年電子發(fā)現(xiàn)者湯姆遜提出的原子均勻結(jié)構(gòu)模型;有1911年盧瑟福提出的原子核式結(jié)構(gòu)模式;有1913年玻爾提出的“玻爾軌道”理論等。知識是沒有邊界的。物理模型永遠(yuǎn)都不會是完美的，因此我們不能停止對一切物理模型的不斷探索和完善。

2.2? 用理想化方法設(shè)計理想實(shí)驗

所謂“理想實(shí)驗”，就是人們設(shè)想一個理想化的條件，把物體的運(yùn)動置于理想化的狀態(tài)中，去研究其規(guī)律的一種理想過程。它是在真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗的基礎(chǔ)上，運(yùn)用理想化方法，對實(shí)際過程中的抽象分析要更加透徹和深入，邏輯法則是整體過程中的基礎(chǔ)和依據(jù)。

理想實(shí)驗是理論研究的最重要途徑，科學(xué)史上利用理想實(shí)驗獲得真理和成果的案例不在少數(shù)，伽利略的“斜面實(shí)驗”、愛因斯坦“閃電實(shí)驗”……這樣的案例不勝枚舉。

讓兩個斜面連接起來，如果小球從一個斜面滾動下來，在忽略阻力的前提下會滾上另一個斜面達(dá)到同樣的高度;隨著第二個斜面傾角的減小，小球為了達(dá)到同樣的高度會滾動更長的距離;那么如果繼續(xù)減小第二個斜面的傾角直到傾角為0°，那么小球永遠(yuǎn)無法滾動到同樣高度，也就說明要無限朝前滾動轄區(qū)。（現(xiàn)實(shí)中這樣的實(shí)驗是永遠(yuǎn)不可能實(shí)現(xiàn)的，因為物體不受外力是絕對辦不到的;只有設(shè)想一個理想化條件，才能揭示出運(yùn)動是物體本身的屬性）;牛頓正是以伽利略的理想實(shí)驗為基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)了“牛頓第一運(yùn)動定律”。

牛頓在解釋行星公轉(zhuǎn)的原因時，設(shè)計了“高山大炮實(shí)驗”，如果一架大炮在高山上，水平發(fā)射炮彈，隨著炮彈初速的的增加，發(fā)射距離會越來越遠(yuǎn)。那么當(dāng)炮彈速度持續(xù)增加，就會達(dá)到一個能夠使炮彈不落地的高速，那么這個運(yùn)動軌跡就是行星公轉(zhuǎn)的軌跡。牛頓的“高山大炮實(shí)驗”的結(jié)論不但解析了月球繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的原理，而且還預(yù)言了人造地球衛(wèi)星發(fā)射的可能，但在牛頓的時代，這個實(shí)驗只能是一種理想的實(shí)驗，因為在當(dāng)時根本無法獲得“環(huán)繞速度”，可見，理想實(shí)驗可以超越現(xiàn)有的條件做出科學(xué)的預(yù)見。

愛因斯坦的“閃電實(shí)驗”是這樣設(shè)計的：共有兩道閃電，在東西方向的鐵路軌道上射出，如果兩道閃電的中心位置有一個觀察者A，A看到的是剛好兩道閃電的光信號同時達(dá)到他的眼睛，他就認(rèn)為這兩道閃電是同時發(fā)生的。這時一列火車正由東向西高速運(yùn)行，車上的乘客B正好經(jīng)過A的對面，由于B速度非常高，西方的閃電光信號相比于東方的閃電光信號到達(dá)B眼中的時間就會提前;因此對于靜止的A和運(yùn)動的B來說，兩道閃電帶來的視覺感受是不同的，這兩道閃電不是同時發(fā)生的（而是西方先閃，東方后閃），愛因斯坦的“閃電實(shí)驗”，率先提出了“同時性的相對性”科學(xué)概念，這為狹義相對論的解決奠定了基礎(chǔ)，對牛頓的絕對時空觀產(chǎn)生了革命性的變革;在物理學(xué)史上（甚至在哲學(xué)史上）樹立了一塊閃光的新里程碑。

在物理教學(xué)中，我們要善于運(yùn)用科學(xué)史上著名的理想實(shí)驗，也要引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計簡單的（或者模仿性）理想實(shí)驗，來幫助他們理解抽象的物理概念和規(guī)律，提高他們的邏輯推理和科學(xué)想象能力，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神。

綜上所述，理想化方法是科學(xué)研究的重要方法，它閃耀著辯證唯物主義認(rèn)識論和方法論思想的光輝，在透過現(xiàn)象抓住本質(zhì)，簡化過程揭示規(guī)律，超越現(xiàn)有條件提出科學(xué)預(yù)見中起著十分重要的作用;理想化方法在教學(xué)中的運(yùn)用，不僅有利于提高物理教學(xué)質(zhì)量，對學(xué)生能力的發(fā)展必將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。因此，我們在教學(xué)中應(yīng)努力研究和應(yīng)用理想化方法。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王存蓮.物理學(xué)中的理想實(shí)驗[J]. 河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2004（4）87-88.