物理学中理想模型的建立

物理学中理想模型的建立

作者：王红敏

来源：《新课程·中旬》2013年第10期

摘要：在对理想模型特征深刻认识的基础上，教学中注重培养学生建立理想模型的意识和方法，提高运用理想模型解决问题的能力。

关键词：理想模型；科学抽象；思维方法

一、理想化模型的概述

理想化模型是根据研究的物理问题的需要，从客观存在的事物中抽象出来的一种简单、近似、直观的模型。具体地说，是对事物的各个物理因素加以分析，忽略与问题无关或影响较小的因素，突出对问题起作用较大的主要因素，从而把问题简化。例如，力学上所研究的只有一定质量而没有一定形状和大小的质点；分子物理学中所研究的分子本身的体积和分子间作用力都可以忽略不计的理想气体；电学中所研究的没有空间大小的点电荷等，这些都是理想模型。

作为理想化模型的各种形态，都是在现实世界中找不到的，但是，理想模型并不是脱离实际的主观臆想，它是以客观事实存在为原型——有原型是理想模型特征之一。理想模型作为抽象思维的结果，它也是对客观事实的一种反映，而客观存在的复杂事物，包含有许多矛盾，因而具有多方面的特性，但是在一定的场合、一定的条件下，必有一种是主要矛盾或主要特征，而理想模型就是对客观事实的一种近似反映，它突出地反映了客观事实某一主要矛盾或主要特征，完全忽略了其他方面的矛盾或特征——突出矛盾是理想模型特征之二。例如，作为理想固体的刚体就是对固体的体积和形状不易改变这一特征的突出反映；理想流体就是对流动性的突出反映等。物理学发展史上许多重大发现与结论，都是由科学家通过大胆的猜想，创建科学的理想模型，并通过实验检验或实践验证，模型与事实相吻合的基础上得出的，例如，有了伽利略的理想斜面实验，才有了惯性的重大发现；有了质点这一理想模型，便有了牛顿运动定律和万有引力定律。理想化模型把可靠的事实和深刻抽象的思维结合起来，便是科学研究问题的一种重要方法——以客观事实为依据是理想模型特征之三。

二、理想化模型建立的原则

1.突出问题的主要因素，忽略次要因素

物理学研究的对象或问题往往比较复杂，受诸多因素影响，有的是主要因素，有的是次要因素。为了便于研究分析，我们把研究对象或问题进行简化，抓住主要因素，忽略次要因素，建立理想化模型。

2.理想化模型要根据所研究问题的需要而定，并不是不变的

把一个实际问题抽象为什么样的模型，要具体问题具体分析，即使同一个研究对象，在不同的问题中抽象成不同的模型。例如，研究地球绕太阳公转这类问题时，把地球看作质点来研究；但研究地球自转这类问题时，地球形状不能忽略，地球不能看成质点。因此，解决物理问题选择模型要结合所研究问题目的、性质等来选择模型，不能随便把什么对象、什么条件、什么过程归入某一种模型，要根据具体问题选择理想模型。

三、理想化模型建立的作用

1.理想模型建立推动了物理学的发展

理想模型作为一种抽象思维方法可以使人们对实际的科学实验理解更深刻，进一步揭示客观现象和过程之间内在的逻辑联系，并由此得出一些重要结论。

例如，作为经典力学基础的惯性定律，就是理想模型中条件理想化的一个重要结论。伽利略注意到，当一个小球从一个斜面上滚下又滚上第二个斜面上，球在第二个斜面上所达到的高度同它所在第一斜面上开始滚下时高度几乎相等，伽利略断定高度上这一微小差别是由于摩擦而产生的，如能将摩擦完全消除的话，高度将恰好相等，如果第二个斜面倾斜度完全消除了，那么小球从第一个斜面滚下之后，将以恒定速度在无限长的平面上永远不停地运动下去。这个实验是无法实现的，因为永远无法将摩擦完全消除，但是，正是因为伽利略构建了光滑这一理想模型，却打破了自亚里士多德以来一千多年间关于受力运动的物体，当外力停止作用时，便归于静止的陈旧观念，为近代力学的建立奠定了基础，后来这个结论被牛顿总结为运动第一定律，即惯性定律。

法拉第在1852年，对带电体、磁体周围空间存在的物质，设想出电场线、磁感线一类力线的模型，并用铁粉显示了磁棒周围的磁力线分布形状，从而建立了场的概念，对当前的传统观念是一个重大的突破。可见，理想模型的建立促进了物理学科的纵深发展。

2.理想模型建立简化了物理问题的研究

由于客观事物具有质的多样性，它的运动规律往往非常复杂，不可能一下子把他们认识清楚，而采用理想化的方法研究问题，就可以使事物的规律更明确，从而便于人们去认识和掌握。理想模型建立不仅可以使问题简化、处理方便，也能反映和突出事物的本质特征。

例如，研究地球绕太阳公转运动时，由于地球直径（约1.3×104 km）远远小于地球与太阳之间的平均距离（约1.5×108 km），就可以不考虑地球各部分运动的差异和地球本身大小，而把地球看成质点，这样就大大简化了地球绕太阳公转这一问题的研究。

再如，当我们讨论像电机转子的转动、炮弹的自旋、船舶在水中颠簸以及起重机或桥梁平衡等问题时，这些问题看起来很复杂，我们似乎感到束手无策，因为在这些问题中，物体的形状、大小往往起着重要的作用，这时我们必须考虑物体形状和大小，以及随之而来的物体在力和运动影响下形状和大小发生变化的问题，如果在研究物体运动时把形状和大小的变化都考虑

在内，会使问题变得相当复杂。值得庆幸的是，在很多情况下，物体受力和运动时，变形都很小，基本上保持原来大小和形状不变，为了便于研究，我们抓住了问题的主要方面和本质方面，从而提出“刚体”这一理想模型。刚体模型的提出大大简化了以上出现的各种看似复杂的问题。

3.理想模型的建立培养了学生正确的科学思维

理想模型的建立使学生的思维更敏捷，提高了分析问题和解决问题的能力。中职生正处于由具体思维为主的形式向抽象逻辑思维为主的形式过渡阶段，具有很大的具体形象性。针对学生这一思维发展阶段，在实施物理教学时，采用理想化模型有助于学生思维能力的科学培养。在培养学生思维能力时，首先要培养学生初步分析、概括和解决问题的能力，即主要是区分有关、无关因素，找出共同特征，从而概括出概念和规律以及会分析解决简单的实际问题，而理想化模型就是由实验、生活现象到形成概念、规律以及利用知识处理实际问题的桥梁。另外，理想模型的建立还是分析解决物理问题的基础，像由质点的运动推演处理刚体、质点组的运动规律；由点电荷的特性通过叠加或积分处理带电体问题等，因而教学中引导学生建立理想模型，是科学方法教育的一项重要内容。

四、理想化模型建立的方法

1.突出理想化模型建立过程的方法教育

理想化模型中学已涉及一部分，例如，质点、点电荷、功的原理、理想气体等，在进行这些内容教学时要有意识地突出理想化模型的建立过程。例如，在教学“牛顿第一定律”时，首先详细观察、记录课文里伽利略斜面实验，然后再对实验条件进行逻辑推理得出运动规律。处理好这一思维过程，不仅使学生掌握了定律，而且重要的是对运用推理总结出规律的方法有了深刻的认识。

2.正确处理具体客体向抽象客体的思维过渡

实施物理教学时，根据教学内容，运用符合学生心理特征的方法让学生接受抽象的东西，由于学生对具体的东西认识比较根深蒂固，对抽象的东西难于接受，因此在教学过程中着重引导学生形成清晰的理想模型。例如，在讲述质点概念时，要有意识地向学生介绍这种科学抽象的方法，抓住问题的主要特征，简化对物体的研究，把物体看成一个点，为了让学生理解质点，可举一些事例让学生思考讨论：把教室椅子从第一排移到第五排，怎样测量距离；汽车从学校行驶到体育场，怎样测量距离等。在学生讨论过程中，引导学生想到我们在处理这些问题时常常不考虑物体各部分差异，把物体简化成一个没有大小、形状的点，即质点。经过这样的教学，质点这个理想模型在学生的思维中就建立起来了，更重要的是学生掌握了研究问题的这种科学抽象方法。

3.将物理模型的构建作为知识应用训练的重要环节