理想化模型在高中物理教学中的应用

理想化模型在高中物理教学中的应用

温州市第二十一中学（物理教研组）徐丽若

摘要：构建理想化模型是处理物理问题常用的方法。在处理实际问题过程中，如何构建模型最接近于实际效果，是处理问题的关键.通过习题分析，了解构建模型的具体思路和方法，能起到事半功倍的作用。

关键词：物理模型理想化模型模型方法

纵观物理学发展的历史，建立理想化模型，是简化物理学研究的重要手段。随着物理学的发展，物理模型越来越受到人们的重视，它促进了物理规律、理论的发展，推动了物理学向新的领域扩展。

一、什么是理想化模型

它是根据所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，这一理想的抽象模型，就是理想化模型。

二、理想化模型的特征

理想化模型主要具有4个特征:近似性、抽象性、局限性和相对性。模型的近似性主要表现在任一理想化模型都是以一定的客观实体为基础，它反映了事物的主要性质。另一方面模型与实体不同，它在实际生活中不存在，这又表现了它的抽象性。任何理想化模型都是在一定的条件下建立起来的，离开了这一条件这一模型就不能使用.这就是理想化模型的局限性。某个事物在不同的情况下，如同一物体在这个问题中可视为质点.而在另一间题中则不能作质点处理，这就是理想化模型的相对性。

三、建立理想化模型的原则

建立理想化模型的一般原则是首先突出问题的主要因素,忽略问题的次要因素。物理学是一门自然学科,它所研究的对象、问题往往比较复杂,受诸多因素的影响有的是主要因素,有的是次要因素。为了使物理问题简单化,也为了便于研究分析,我们往往把研究的对象、问题简化,忽略次要的因素,抓住主要的因素,建立理想化的模型。例如我们研究列车从西宁开往北京的运行时间这类问题时,由于列车的长度比西宁到北京的距离小得多,这时我们可以不考虑列车的长度,把列车可看做质点。即质点的实际物体的一种抽象,是理想化的物理模型。其次理想化的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,即使同一研究对象,在不同的研究中也可能需要抽象成不同的模型。例如我们研究列车从西宁开往北京的运行时间这类问题时,把列车可看作质点来处理,但我们研究列车通过一座桥所需时间的问题时,列车的长度不能忽略,列车不能看做质点。因此,解决物理问题选择模型时,要综合考虑所研究问题的目的、性质等,然后再做出选择,不能随意地把什么对象、什么条件、什么过程归入某一种模型,应根据具体问题选择理想化的模型。

四、理想化模型方法的作用

1、推动物理学发展

由于受人们认识水平和时代科技水平的限制，理想化模型不可能全面地反映原型，所以如果提出的理想化模型不能说明新观察到的现象，或与新的实验事实有矛盾，就需要对这个理想化模型进行补充、修正、甚至否定，提出新的理想化模型，再由实验检验。在这一发展过程中，理想化模型对原型的近似程度得到了提高。

创建物理学离不开建立物理理想化模型的例子在物理学史上屡见不鲜，比比皆是。在力学中，牛顿提出了万有引力理论便是一个著名的例证。牛顿一方面运用了开普勒的行星运动的太阳系模型，另一方面借助数学方法证明了“一个球体吸引外边物体时，它们的质量就好像集中在它们各自的中心一样太阳系中的所有星球可视为有质量而无形状与大小的质点。”据此，建立了质点模型，把宇宙万物视为质点。从而首先发现了万有引力定律。理想化模型是在物理学的发展过程中逐渐建立的。

如1897年汤姆逊发现了电子，鉴于原子呈电中性，他提出了原子的“枣糕”模型。这个模型能解释一些实验事实，但没过几年就被新的实验事实否定了。1909年卢瑟福及盖革等人做的a 粒子散射实验，其结果根本无法用汤姆逊模型解释。1911年卢瑟福为解释a 粒一子散射实验的结果，提出了原子的核式结构模型。这个模型很好地解释了a 粒子的散射实验，初步建立了原子的结构的正确图景。建立核式模型，虽然只是科学家建立理想化模型的一个例子，但它反映了建立理想化模型的一般方法。实验观察是建立理想化模型的基础，抽象分析和形象想象是建立理想化模型的基本手段，观察、分析、抽象、想象是建立理想化模型的一般方法和过程。

2、促进物理教学

物理模型的提出与发展揭示了物理概念的进化与形成;所以模型方法也就成为理解物理概念的基本思路。如物理学中的专用或通用名词“物质”或“物体”是没有形态和大小的是各种物质或物体的抽象，可视为物理学的语言模型。电学中的库仑定律只适用于真空中的点电荷模型。几何光学反射，折射定律则是因为建立了“光线”“点光源”“平滑的反射面，折射面”这些光学模型后方才得出的等等。解答物理习题亦可以说是应用模型方法的过程。基本思路大体如下:分析题意，确定对象的理想化模型，察看对象所处环境，确定过程的理想化模型，然后将物理模型转换为相应的数学模型，推出结果。现举一例说明模型方法在解题中应用。

例：一个用轻长绳悬在空中的木块，质量为，用m ，以v 向水平方向射入木块，然后木块与子弹一起摆动，求木块上升w 最大高度?

解：选子弹与木块为研究对象，忽略子弹转动，建立质点系统模型，因子弹射入物体的过程时间极短.可以认为轻长绳与竖直方向夹角为零。系统所受合力为零。可确定系统为完全非弹性碰撞过程模型，动量守恒。故有mv=(m 十M)v ’又系统获得速度v ’过程极短，它们位移微小到可以忽略，故可以认为系统虽已具有了速度v ’，但还处于平衡位置。此后选取子弹、木块和轻绳为研究对象，忽略绳质量和空气阻力，系统向上摆动，只有重力做功，建立机械能守恒模型。有gh )m M ('v m M 212

+=+）（由此得物体上升最大高度为： g 2v )m M m

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总之，通过对理想化模型的建立、特征及其在物理学中的作用等几个问题的讨论，可以知道这种方法对于整个物理学的研究和发展起了重要的促进作用，并确定它将在未来的物理学领域内，继续起到应有的作用。