浅析中学物理教学中的理想化方法

浅析中学物理教学中的理想化方法内容提要: 本文研究了理想化方法的含义及种类，并结合中学物理的实际，阐述了在中学物理教学中应用理想化方法的必要性和重要性，同时也论述了教师怎样培养学生掌握理想化方法。

关键词: 理想化、理想模型、理想实验一．理想化方法界定理想化方法，是科学抽象的一种特定形式，是人们运用理性思维的方式之一。

我们知道物理学所研究的各种事物及现象都是很复杂的，往往是各种因素都交织在一起。

为了找到研究问题的思路和简化程序，人们就在一定场合，一定条件下把现存的实际事物当作理想形态处理，对这些复杂的实体或实体过程进行思维加工。

因为在一定现象中，并不是所有的条件，所有的性质都起着同等重要的作用，所以有必要对实体（或过程）给予简化，纯化，抽取主要因素，抓住主要矛盾，舍去次要因素，排除偶然性，揭示必然联系。

所谓理想化就是在思维中，用理想的客体代替现实的客体，按照一定的逻辑规则，通过设想，推导，论证揭示事物的思维过程。

二．理想化方法的分类理想化方法包括理想模型和理想实验。

1．理想模型理想模型是以客观存在的事物为原型，在思维中形成一种高度抽象的理想客体，并用之来代替原型，建立描述这种客体本质属性的方法。

在中学物理中，我们对各种实际物理问题的研究是按下图所示的模式进行的：图（1）先将物理问题经过科学抽象简化成某个物理模型，然后研究模型，推导有关物理规律，再运用这些物理规律去分析解决实际的物理问题。

这样一个循环的过程，也就是一个“实践——理论——实践”的过程。

理想模型有实物模型和过程模型。

(1)．实物模型物理学的研究对象是客观存在的实际物体，通过简化，抽象建立起来的物理模型叫做实物模型。

翻开中学物理课本，映入眼帘的是“质点”，“刚体”，“单摆”，“弹簧振子”，“点电荷”，“理想气体”，“光滑斜面、导轨”等，这些模型正是事物在某种条件下的近视，即实物模型。

我们拿“质点”模型来加以说明。

一般情况下，我们研究一列火车沿铁轨运动，严格说来是很复杂的，其中有火车车身的运动，车轮的转动，车厢的晃动，蒸汽机活塞的运动，水和水蒸气的热运动，发电机中的电磁运动等等。

假如我们只考虑火车沿轨迹的整体运动，即研究火车车身的运动，便可以忽略那些与火车车身运动关系不大的次要运动，即认为火车上各点的运动完全一样——平动。

这样，我们便可以用一个有质量的点的运动来代替整体的运动，也就是把火车看成是一个“质点”来处理。

同样，地球绕太阳的运动，雨点的下落运动，飞机在高空运动等，在一定条件下都可以把它看成是质点运动，都可以用质点的运动规律来描述。

所以“质点”模型是一个通用模型，它是从实际物体抽象出来的，反映了形形色色作同样形式运动不同个体之间的共性。

在研究气体性质时，由于在温度不太低，压强不太大的条件下的实际气体分子间的相互作用力极其微小，分子所占的空间与其自由活动空间相比亦甚微小，在此情况下，可把所研究的实际气体作理想化处理，即要求气体分子间无相互作用，气体分子不占空间，从而使研究问题的过程大为简化，这就是理想气体模型。

(2)．过程模型物理学的研究任务之一是要找出运动所遵循的规律。

如果不对这一运动过程进行近视处理，忽略次要的因素，保留本质因素，那么几乎不可能得出结果。

因此就必须在一定的条件下把这一运动过程进行理想化，抓住主要的因素，建立理想的过程模型，从而找到运动规律。

如在公路上行使的汽车，虽然公路并不是一条几何直线，汽车的位置随时间变化也不是绝对均匀的，但若公路偏离直线很小，汽车的位置随时间变化的不均匀也不明显，那么都可以进行忽略。

任何运动若能忽略这两点，都可视为匀速直线运动。

又如一个铁球在空中静止落下，影响铁球运动的首先是地球引力，严格说来，这个引力并不是恒力，小球越接近地面，引力就越大。

其次还有空气阻力，这个阻力随着速度的增大而增大，另外还须考虑由于地球自转而引起的影响。

这样，铁球的下落运动相关因素十分复杂，几乎很难研究得出研究结果。

但如果物体在近地空间下落，可不考虑高度变化引起的引力变化，也可不计地球自转的影响，若在略去空气阻力，那么铁球就仅在不变的重力作用下的运动，就理想化为“自由落体”运动。

其实，在热力学中，理想气体的“等容”，“等温”和“等压”过程实质都是一种理想化的物理过程模型，是实际过程中的一种近视。

还有匀速圆周运动，抛体运动，简谐振动，完全弹性碰撞，绝热过程，稳恒电流，正弦电流等，也都是人们在思想中塑造的理想过程。

2．理想实验理想实验，又叫假想实验，抽象实验，思想上的实验，它也属于理想化的方法。

理想实验实际上是一种逻辑推理的思维过程，是科学抽象的产物，它往往是人们在物理实践中遇到某些无法解决的问题时在真实的科学实验的基础上，抓住主要矛盾，忽略次要因素，根据逻辑法则由大脑构想出来的一种无法实现的实验。

由于理想实验存在着它的客观根据，即理想实验的实践基础，故能得出合乎逻辑的结论，从而在物理学的理论研究中起着重要作用。

例如作为经典力学基础的惯性定律，就是理想实验的一个重要结论。

亚里士多德认为：受力运动的物体，当外力停止作用便归于静止，它的这一观点统治了近两千年，一直到伽俐略时代。

伽俐略曾独巨匠心地设计了一个斜面实验，如下图所示：B图（2）甲当一个铁球从斜面A上滚下而又滚上斜面B时（上图），所达到的高度与在A上开始滚下的高度几乎相同。

他认为这一微小差别是由摩擦造成的。

于是伽俐略在忽略摩擦因素下，在大脑中构想出以下推论（下图所示）：B 图（2）乙图（2）丙如果减小斜面B的倾角（乙所示），小球在这个斜面上仍然要达到原来的高度，但是要通过更长的距离。

继续减小斜面B的倾角使其成为水平面（丙所示），小球从A滚下后不可能达到原来的高度，但将以恒定的速度在水平面永远运动下去。

这个实验是无法实现的，因为永远无法将摩擦完全消除掉，所以这只是一个理想实验。

但这个实验却否定了亚里士多德的结论，为牛顿总结出惯性定律打下了基础。

再如，牛顿所进行的山顶上大炮射击实验也是一个理想实验（如下图）。

他天才地设想：炮弹沿水平方向射出，在重力作用下沿抛物线落到底面，发射速度越大，落地距离就越远，增加发射速度到某一值时，炮弹就可以绕地球大半圈而落到大炮的背后。

如果再增大发射速度，就会使炮弹绕地球一圈，二圈地作圆周运动，既不会落地，也不会飞向太空，这就是一幅人造卫星的原理草图。

图（3）三．理想化方法教学中学物理所研究的基本问题都是理想化方法。

因此，在中学物理教学中，怎样运用理想化方法进行教学就显得至关重要。

下面，我主要分三点来阐述一下运用理想化的教学。

在课堂上，能把理想化方法的思维渗透到学生中去，使学生对于课堂上建立起来的理想模型和实验，能够很好地接受，领会并能简单运用，这是教师的一大任务。

我们以高中物理《电场强度》一节为例，讲述一下怎样用理想化方法来进行教学。

电场最基本的性质是对处在其中的电荷有力的作用。

为了研究电场的这种特性，我们需要在电场中放入一个电荷去“试探”，那么对该试探电荷有哪些要求呢？首先我们通过一个例子来类比一下：要用一把尺子去测量水的深度，如下图（4） 图（5）图（4）所示。

当把尺子插到容器里后，水面的高度将会有所升高，这表明测量的工具会影响测量的结果。

为了使这种影响尽可能地小，应该把尺子做的薄一些，最好尺子根本就没有厚薄，这样水面的高度就不会随着尺的插入而上升。

我们回到前面，当把“试探”电荷放入电场中时，它多少也会影响被研究的电场的分布。

例如上图（5），金属球A 上带有正电荷Q ，当A 孤立时，其中的电荷分布是均匀的，球外电场的分布也具有对称性。

但当我们在A 球右边附近的B 处放一个负电荷q （试探电荷）后，由于电荷的相互作用，球上的电荷会重新分布，A 球上的电荷将是左疏右密。

这样，电荷q 试探到的电场已经不再是原来的电场了。

要使不影响原来的电场并且希望试探电荷能探明电场中每一个点的性质，我们要求该试探电荷应没有线度和形状，并且电荷也要足够小。

可见，该试探电荷是一个理想的点电荷。

即使我们拿一个线度和电量非常小的电荷去实验，测量它所受到的电场力也是非常不容易的。

因此，我们就采用理想实验，一切操作都在脑子里“有思维地”进行。

这样，我们就获得了对电场力的性质的准确认识，建立了电场强度的概念。

经过引入理想化模型，采用理想实验所处理后得到的电场强度概念是科学的，而且也只有这样处理才能得到结果。

很多学生都说物理题难解，其实之所以认为难原因就是不知道运用理想化方法去处理问题也就是不知道建立何种物理模型来解题。

针对如此情况，教师在教学中应逐步让学生掌握如何采用理想化方法根据题目建立理想模型，并让学生会用所得的理想模型来分析和解决问题。

请看以下例：例：汽车以一定速度在宽阔水平路上匀速直线行驶，忽然发现正前方出现一堵长墙，为了尽可能避免碰到墙壁，司机急刹车好呢？还是转弯好？为什么？拿到这个题目，首先要读懂题目的意思。

题目问“急刹车好还是转弯好？”实际上是问哪种做法碰壁的可能性小。

其次，忽略一些次要因素，抓住汽车两种运动的主要因素，建立两种正确模型。

汽车急刹车的模型：刹车装置刹住轮子，轮子不能转动，汽车由于惯性向前冲，轮子在地面上滑行，地面对轮的滑动摩擦力使汽车作匀减速运动，甚至停下来。

如果要避免汽车碰到墙壁，就必须使汽车在从刹车到停止的整个过程中所前进的距离小于司机发现墙时急刹车的地点到墙的距离。

汽车转弯的物理模型：理想化的匀速圆周运动模型。

车子是否碰墙，在于轨道半径R 的大小。

轨道半径R 又是由向心力决定的，这个向心力是静摩擦力提供的。

根据题意，可以认为静摩擦力的最大值与滑动摩擦力近似相等。

解题过程简述如下：根据动能定理，汽车刹车后滑行的距离X 和滑动摩擦力的关系为：21 mv 2=FX 又F=μmg, 得：X =gv μ2; 根据匀速圆周运动公式，汽车转弯是的向心力为：μmg=R m v 2，得：R=gv μ22>X; 由答案得出，汽车急刹车碰墙的可能性小。

这是一道说理题，题中没有一个具体数字，也没有一个表示物理量的文字符号。

初看题目，似乎无从下手，然而只要仔细考虑，分析题目，在实际情况的基础上建立相应的的物理模型，再从中寻找有关概念和物理量之间的关系，题目就不难解答了。

理想化方法对于实验教学有着不可忽视的作用。

在得出牛顿第二定律前，研究加速度a 与F 之间的关系时，我们也采用了理想方法来处理实验。

我们近似认为挂在小车上的砝码的重力就是小车所受到的拉力(图6)。

但其实这样的忽略是有条件的。

如图对砝码和小车受力分析情况得：mg ―F=ma又：F=Ma联立得：F=mM Mmg 可知只有当M>>m 时，F 才等于mg 。

我们在实验中认为F=mg 是在一定情况下的近似。

另外，在有电流表和电压表参加的所有试验中，我们也采用了理想化方法，把电流表的内阻近似为零，而把电压表的内阻近似为无穷大，从而使研究实验处于方便状态。