谈理想化方法在物理教学中的作用

郑春爱

摘   要：理想化方法是物理学研究的一种基本方法，是科学抽象的一种形式，在透过现象抓住本质，简化过程揭示规律，超越现有条件提出科学预见中起着十分重要的作用。本文阐述用理想化方法建立理想物理模型、设计理想实验，通过理想化方法在教学中的运用帮助学生理解抽象的物理概念和规律，提高他们的逻辑推理能力和科学想象力，培养他们的创新精神。

关键词：理想化方法;物理教学应用;物理模型;理想化实验

1  理想化方法是科学抽象的重要方法

观察和实验是支撑物理学研究的基础，也是在物理教学中需要着重培养的两个能力，虽然这两点十分重要，但是我们更应充分注意到理性的加工和科学的抽象能够将观察得来和实验总结出来的感性材料从表面性、偶然性和非本质性的一些因素中抽离出来，将事物内在核心、必然性的本质因素表现出来，才能揭示出事物运动变化的规律[ 1 ]。16世纪丹麦天文学家第谷，作了30年的精密的天文观测，积累了大量的行星运动的感性材料，但由于他不善于进行科学抽象，直至去世也没有找到行星运动的规律。而他的学生和助手，年轻的德国科学家开普勒，把他留下来的大量天文观察资料进行整理，经过去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里的科学抽象，发现了著名的开普勒行星运动三定律。可见，科学抽象在认识自然规律中具有非常重要的意义。

理想化方法就是典型的科学抽象方法，虽然十分常见，但是行之有效。理想化方法以切实基础为根本，以客观事物为原型，抓住主要因素、忽略次要因素;将现实中的客体和条件转换成理想状态下的客体和条件，实验前的设想、实验过程中的推导以及试验后的论证，都可以从不同角度将事物本质发掘出来，总结出事物本质的运动形式、方法和规律[ 2 ]。

在初中物理课本中改造后的伽利略斜面实验的推论就是应用理想化方法的实例。实验是这样的，让同一辆小车从某斜面的同一高度滑下，分别进入毛巾平面、棉布平面、木板平面;随着平面对小车摩擦阻力的减小，小车的运动距离在增大。因此我们可以推论：小车在越光滑的平面上，受到的摩擦阻力越小，小车的运动距离就越远;若阻力为零则小车将永远运动下去。这里“平面上不受力的小车”就是理想状态下的客体，而事实上小车会受到来自空气以及其他方面的摩擦力和阻力，这才是现实的客体;绝对水平和光滑的平面也是理想状态才存在的条件，它们代替现实的条件（平面不可能绝对水平、光滑），用理想化的过程（小车在绝对光滑的平面上，不受任何阻力的运动）代替现实的过程（小车在不绝对光滑的平面上，受阻力的运动），证明了运动是物体的固有属性，这种思维多么精辟、多么富有创造性啊！16世纪的伽利略正是运用了这种理想化的方法，推翻了禁锢人们思想达二千多年的亚里士多德貌似正确而与人们直觉印象符合的“力是物体运动原因”的错误论断，使人们的认识产生了一次飞跃，思想得到了一次解放。

2   理想化方法在物理教学中的应用

2.1  用理想化方法建立理想物理模型

在进行物理学研究时经常会采取物理模型法，这也是教学过程中最普遍的科学方法，用理想化方法建立物理模型的例子是很多的。比如：“质点”就是理想化的物理模型。质点是一种忽略了物体的形状大小，只考虑质量（这里突出了质量这个主要因素而撇开了大小、形状等次要因素，用理想客体代替了现实客体）;实际物体都有一定形状和大小，但如果物体上各点的运动情况基本相同或者物体的线度比物体间的距离小得多时，就可以将物体系统内部的运动造成的细微差别忽略，从而将物体视为质点，忽略次要因素简化了研究问题，但并不影响结果。又如：“刚体”是也是一种理想化的物理模型。如果物体受到外力或者外界作用，一定会发生形变，性状、大小等属性发生变化，但在许多情况下物体本身的这种变化对我们所研究的问题造成的误差可以忽略不计。将物体视为刚体也起到了简化问题的作用，也并不会影响实验结果。

物理模型可分为模拟式模型和理想化（实体、系统、过程）两种模型，前者起到了具象化实际存在但过于抽象或者无法直接通过感官感受到的事物，这样能够更好的进行特点分析和规律总结。如：电场线、磁场线、理想气体分子模型等等;后者是将研究对象抽象为理想形态而便于进行研究，它重视的是问题的内在，以性质和其他突出因素为重点，忽略次要、局部和偶然的一些因素，这样建立起的物理模型和实际相比差距很小。如：单摆、理想气体等等，都是理想化实体模型的例子。而绝热系统、孤立系统、封闭保守系统等是理想化系统模型的例子;可逆循环过程、准静态过程等都是理想化过程模型的例子[ 3 ]。

学生在对每一个物理模型的构成和性质进行分析的过程中，都是综合分析能力、抽象思维能力的培养过程，在这个过程中一个科学完整的物理模型在学生心中逐渐清晰。解题时常说的“明确物理过程”，其根本就是让学生抓住物理模型的本质，通过准确的物理模型发现问题的本质。例如，在研究太阳系中行星公转时，可以将行星作为质点考虑;在研究地球自转时，由于地面上不同位置的向心加速度不同，就不能再把地球当作质点，但可把它看成刚体。下面举一个借助物理模型进行解题的例子：

跳水运动员在完成10m跳台跳水动作时，首先从平台向上跳跃，双臂垂直上举，身体离开台面，此时运动员的重心在整体的中点;起跳后重心升高0.45m，此时中心最高，身体垂直水面落水，手部先接触水面（过程中不考虑运动员水平方向运动）。运动员从台上跃起的一瞬间直到手部接触水面的一瞬间，他在空中可以完成整套动作的时间为多少s。

当然我们还必须注意到人们对客观事物的认识层次达到一定高度，才会构建“物理模型”;随着研究的深入，认识层次也会更高，原有的模型往往要被修正，甚至被否定。比如關于原子结构，就先后出现过几种模型：有1903 年电子发现者汤姆逊提出的原子均匀结构模型;有1911年卢瑟福提出的原子核式结构模式;有1913年玻尔提出的“玻尔轨道”理论等。知识是没有边界的。物理模型永远都不会是完美的，因此我们不能停止对一切物理模型的不断探索和完善。

2.2  用理想化方法设计理想实验

所谓“理想实验”，就是人们设想一个理想化的条件，把物体的运动置于理想化的状态中，去研究其规律的一种理想过程。它是在真实的科学实验的基础上，运用理想化方法，对实际过程中的抽象分析要更加透彻和深入，逻辑法则是整体过程中的基础和依据。

理想实验是理论研究的最重要途径，科学史上利用理想实验获得真理和成果的案例不在少数，伽利略的“斜面实验”、爱因斯坦“闪电实验”……这样的案例不胜枚举。

让两个斜面连接起来，如果小球从一个斜面滚动下来，在忽略阻力的前提下会滚上另一个斜面达到同样的高度;随着第二个斜面倾角的减小，小球为了达到同样的高度会滚动更长的距离;那么如果继续减小第二个斜面的倾角直到倾角为0°，那么小球永远无法滚动到同样高度，也就说明要无限朝前滚动辖区。（现实中这样的实验是永远不可能实现的，因为物体不受外力是绝对办不到的;只有设想一个理想化条件，才能揭示出运动是物体本身的属性）;牛顿正是以伽利略的理想实验为基础，发现了“牛顿第一运动定律”。

牛顿在解释行星公转的原因时，设计了“高山大炮实验”，如果一架大炮在高山上，水平发射炮弹，随着炮弹初速的的增加，发射距离会越来越远。那么当炮弹速度持续增加，就会达到一个能够使炮弹不落地的高速，那么这个运动轨迹就是行星公转的轨迹。牛顿的“高山大炮实验”的结论不但解析了月球绕地球运转的原理，而且还预言了人造地球卫星发射的可能，但在牛顿的时代，这个实验只能是一种理想的实验，因为在当时根本无法获得“环绕速度”，可见，理想实验可以超越现有的条件做出科学的预见。

爱因斯坦的“闪电实验”是这样设计的：共有两道闪电，在东西方向的铁路轨道上射出，如果两道闪电的中心位置有一个观察者A，A看到的是刚好两道闪电的光信号同时达到他的眼睛，他就认为这两道闪电是同时发生的。这时一列火车正由东向西高速运行，车上的乘客B正好经过A的对面，由于B速度非常高，西方的闪电光信号相比于东方的闪电光信号到达B眼中的时间就会提前;因此对于静止的A和运动的B来说，两道闪电带来的视觉感受是不同的，这两道闪电不是同时发生的（而是西方先闪，东方后闪），爱因斯坦的“闪电实验”，率先提出了“同时性的相对性”科学概念，这为狭义相对论的解决奠定了基础，对牛顿的绝对时空观产生了革命性的变革;在物理学史上（甚至在哲学史上）树立了一块闪光的新里程碑。

在物理教学中，我们要善于运用科学史上著名的理想实验，也要引导学生设计简单的（或者模仿性）理想实验，来帮助他们理解抽象的物理概念和规律，提高他们的逻辑推理和科学想象能力，培养他们的创新精神。

综上所述，理想化方法是科学研究的重要方法，它闪耀着辩证唯物主义认识论和方法论思想的光辉，在透过现象抓住本质，简化过程揭示规律，超越现有条件提出科学预见中起着十分重要的作用;理想化方法在教学中的运用，不仅有利于提高物理教学质量，对学生能力的发展必将产生深远的影响。因此，我们在教学中应努力研究和应用理想化方法。

参考文献：

[1]陈明胜.理想实验及其在物理学发展中的巨大作用[J]. 黄冈师范学院学报， 2008，28（b06）55-56.

[2]孙桂英.理想化方法在中學物理教学中的应用[J]. 绥化学院学报， 2005（5）176-177.

[3]王存莲.物理学中的理想实验[J]. 河北能源职业技术学院学报，2004（4）87-88.