“理想模型”方法在中学物理中的作用

“理想模型”方法在中学物理中的作用
陈利华
“理想模型”方法是物理学中研究事物的方法之一，它贯穿了整个中学物理，并在教学中发挥了重要作用。

一理想模型客观世界中物体间的相互作用相当复杂，进行物理研究时我们不可能面面俱到，在分析和研究物理现象时，为了研究问题的需要，我们常常忽略物理过程中的次要因素，抓住主要矛盾，抽象概括出“理想实体模型”、“过程理想模型”、“理想实验模型”等模型，使研究的问题得以简化，据此导出的规律能根实际物理问题相吻合或较好的吻合。

在教学实践中，使学生能深刻体会这种思维方法将有利于他们迅速把握解题方向。

通常物理理想模型包括：
1．实体模型物理中的某些客观实体，如质点，舍去和忽略形状、大小、转动等性能，突出它具有所处位置和质量的特征，用一个有质量的点来描绘，这是对实际物体的简化，类似的实体模型，如：刚体、完全弹性体、理想气体、点电荷、薄透镜、弹簧振子、光滑平面（或斜面）、单摆、理想电表、理想变压器等等，都是属于将物体本身理想化，另外还有一些，如“光源、光线、电场线、磁感线等是属于人们根据它们的物理性质，用理想化的图形来模拟的概念。

2．过程理想模型实际的物理过程涉及的变量很多，一般比较复杂，为
使过程简化，对于那些变化很小的物理量X,可以视为恒量，就可以得到理想化的物理过程。

如：匀速直线运动（V=S量）、匀变速直线运动（a= 恒量）、匀速圆周运动（量）、等温变化（丁=恒量）……等等，这些运动在实际当中是不存在的, 而是经过抽象的, 理想化的物理过程, 但是,据此研究而得出的规律与许多实际物理过程能较好的吻合,或在此基础上略加修正也能较好的吻合。

当我们计算飞机航程、时间和速度的关系时,就可以用匀速直线运动的公式进行计算,当近似地讨论地球公转运动时,我们可以用匀速圆周运动的有关公式,如果不用这种理想化的思维方式,即使最简单的物理过程都很难分析清楚,更不要说复杂的运动了。

3. 理想实验理想实验又叫思想实验,是揭示自然规律的科学方法之一。

它是用想象推理来完成的,是建立在可靠的实验基础上但又不是直接用操作来实现的实验。

虽然它是一种“假想”实验,是一种科学思维的产物,但它可以揭示客观现象和过程之间存在的必然联系,因此,得出的规律是科学的。

历史上许多著名的科学理论都是在“理想实验” 的基础上获得的,如伽利略的经典力学基础的惯性定律,牛顿的万有
引力定律，爱因斯坦的相对论。

理想模型是物理的有机组成部分，它的引入不仅对宏观物理理论规律
性研究提供了方便，而且对培养学生的能力，提高解题技巧均有重要作用。

二.物理“理想模型”在解题中的实际应用
在物理教学中，学生常常反映物理难学，尤其是解题难，这其中很重
要的一个原因是学生对题目的物理过程不理解，不能把题目中的过程和物体简
化成理想模型，事实告诉我们，千百万化的物理习题都是根据一定的物理模型
结合某些物理关系，给出一定条件，提出需要求的物理量的，而我们的解题过
程就是将题目中隐含的物理模型还原求结果的过程。

例1:（见右图）倔强系数为K 的弹Array簧一端固定于墙壁，另一端连着质量为M
的物体，物体静止于光滑水平面的0点
上，先有一质量为m的子弹以水平速度
V。

射进，且留在物体中，试问最少需要多
少时间物体又到达0点？物体的最大位移是多少?
分析：开始时取子弹和物体组成的系统为研究对象，忽略子弹的
转动，认为子弹射进物体开始的过程为平动，从而建立质点系统模型
因为从子弹开始射进物体到停留在物体中这一过程时间极短，弹簧的
形变微小到可以忽略，所以可认为在此过程中，沿水平方向系统所受
合力为零，系统的变化为完全非弹性碰撞，从而可建立完全非弹性碰撞过程模型。

系统动量守恒，有：
(m+M v=mv0
由此可以得到系统的初速度：
v=my)/(m+M)
又系统获得速度v的过程短暂，它们的位移微小到可以忽略，
故可认为系统虽已具有速度v,但还处在平衡位置0点处。

此后，选
取子弹，物体和弹簧组成的系统为研究对象，忽略弹簧质量，空气阻
力与摩擦力，建立弹簧振子模型；振子从平衡位置0处以速度v向左
运动的过程，满足简谐振动模型，可得方程：
T=2 n m M
\ K
^KA= (m+M)v
由上二式即可得到物体再次到达0点的最短时间t与物体的最
大位移A分别为:
t=
| 1
A= 讣------- k * mv
VM +m
在求解这个题目的过程中我们一共建立了三个理想化模型：质
点系统模型，弹簧振子模型和简谐振动模型，运用模型的公式求解就能得出相应的结果，问题也就迎刃而解了。

例2:如右图所示，把一个真空
罐放于光滑水平面上，当刺破一个小孔
时，罐子将做什么运动？
分析：若我们直接从题中“罐子将做什
么运动？”入手，选取研究对象，再进行受
力分析，然后用运动学知识很容易就得出罐子先向右做变加速运动，最后向右做匀速直线运动的错误结论。

事实上，刺破一个小孔的罐子向右运动过程中受力情况很复杂，运用动力学知识很难判定其运动情况。

但如果我们联想到本题与“两球的碰撞问题”在本质上是相同的，把罐子和最终进入罐子的那部分气体视作系统，则系统所受的合外力为零，由动量定律很快就可以得到结论。

总之，“理想模型”的方法在物理学的研究中具有很重要的作用，通过物理“模型”的教学，对培养学生探索问题，发展创造思维, 培养辨证唯物主义思想方法以及提高解决实际问题的能力等方面都极为有利。