浅谈物理教学中的理想化模型

摘要：物理模型，是一种理想化的物理形态.科学家进行理论研究时，通常都要从构造模型入手，利用抽象、理想化、简化、类比等手法，把研究对象的本质特征抽象出来，构成一个概念、实物或运动过程的体系，即形成模型.由于物理学所分析和研究的实际问题较复杂，所以，无论是做物理研究还是理论学习，理想模型都是必不可少的.

关键词：理想模型；抽象思维；模型作用

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.

1理想模型

为了便于着手分析与研究，物理学中常常采用“简化”的方法，对实际问题进行科学抽象的处理，抓住主要因素，忽略次要因素，得出一种能反映原物本質特性的理想物质（过程）或假想结构，这种理想物质（过程）或假想结构称之为物理理想模型.理想模型是一种理想化的研究对象，如力学中的质点、光滑面、斜面实验、弹簧振子、连续介质、理想流体，热学中的理想气体、孤立系统，电磁学中的点电荷、试探电荷、匀强电场、纯电阻、纯电感、纯电容、无限长螺线管、理想变压器，光学中的光源、光线与光的直线传播、薄透镜，近代物理中的黑体等.

2构建理想模型的基本原则

2.1提出问题的主要因素，忽略问题的次要因素

物理学所研究的对象往往是比较复杂的，受许多因素影响，有的是主要因素，有的是次要因素.为了使物理问题简单化，以便于直观分析，我们往往对所研究的客体进行简化.忽略次要因素，抓住所研究问题的主要因素，建立理想模型.例如对于实际气体的研究，我们把气体分子看作弹性小球，分子之间的碰撞就是弹性碰撞，并且碰撞的持续时间小到可以忽略不计，除碰撞瞬间外，气体分子间相互作用力可以忽略.这样，这样就把实际气体抽象为理想气体.即理想气体是真实气体在压强不太大（与标准大气压相比），温度不太低（与常温相比）的条件下的近似.

2.2构建的理想模型要尽可能简洁

早在十七世纪，意大利物理学家伽利略在大量的实验基础上忽略了空气阻力等一些次要因素，建立了自由落体的理想模型，从而得出自由落体的运动公式h=1/2gt2，这体现了物理学研究的简洁美.

2.3选择理想模型要根据研究问题的需要而定

一个物体或物理过程被抽象为何种理想模型不是一成不变的，而是要根据所研究的问题的需要而定.例如，研究地球绕太阳运转时，由于地球直径跟它绕太阳运转的轨道直径相比小得很多，地球各部分运动状态没有多大差别，因此可把地球看作质点；研究地球自转时，地球各部分运动状态有很大差别.此时地球不能看作质点.例如，当研究火车的运动从上海到广州需要多长时间时，可以忽略其长度将其看作质点，而当研究它在运行过程中经过一个电线杆、某个山洞或某座桥需要多长时间时，就不能将其看成质点.

人们在研究光的本性时，光的电磁假说不能解释“光电效应”现象.这时爱因斯坦在普朗克量子论的基础上，又提出了光子假说.他认为光是由一份一份具有一定质量、能量和动量的粒子所组成的粒子流.这种粒子称为光子.爱因斯坦提出了光子理想化模型.能很好地解释了光电效应现象，从而使量子理论向前推进了一大步.

因此，解决物理问题时，应根据具体问题选择理想模型.

3构建理想化模型应注意的问题

第一，构建理想模型是否会破坏所研究的对象；

第二，分离出来的主要因素与作为整体一部分的因素是否有较大差别；

第三，抽象后的模型能否进一步的反映实际的物理现象及规律.

因此构建理想模型必须要有正确的方法和完整的操作过程.

科学抽象在建立物理学中的理想模型时起着至关重要的作用.科学抽象一般分为表征性和原理性两类：表征性抽象，它所包括的是事物的表面特征，比如物体形状和大小，颜色、重量、波长等；原理性抽象，概括的是事物的内在因果关系和规律性联系.例如，库仑定律和万有引力定律，光的反射、折射定律等，这些规律都是基于科学原理构建了一些理想化模型，如点电荷和质点，才得出的，它们是科学抽象的结果.

构建理想模型的一般方法是：

（1）分析影响实际问题的因素；

（2）比较各因素在研究问题中的作用；

（3）忽略影响问题的次要因素.

4理想化模型分类及其特征

4.1理想化模型分类

4.1.1事物本身的理想化

即把所研究的事物本身作为理想化的客体.如质点、点电荷、点光源、光滑平面等等，这些理想化模型就是实际物体在某种条件下的近似和抽象.

4.1.2物理过程的理想化

自然界中各种事物的运动变化过程都是极其复杂的.根据所研究问题的性质和需要，忽略过程的次要因素，只保留过程的主要因素，把物理过程理想化，就得到了理想过程.如匀速直线运动、抛体运动、简谐运动，理想气体状态变化等等，都是理想化过程.

4.2理想化模型的特征

4.2.1抽象性

理想化模型是经过科学家抽象而建立起来的一种理想状态，具有科学的抽象性.它本身是一种科学概念，但不同于一般的抽象概念，是形象思维的结晶，是建立在抽象思维中的一种简化了的图象、图式、符号.由于所建立的理想模型与原型之间在结构、功能、性质等方面具有一定的相似性，可通过一定的理论、原理和规律，以其代表原型，来表征各种变量的变化规律.

4.2.2近似性

理想模型突出反映了客观事物及其变化过程的某个主要矛盾、特征或主要运动形式，突出了主要因素，而忽略了其它次要因素.例如具有一定的大小、形状和内部结构的实际运动的物体，在运动形式上还有可能有转动.但我们常见的理想模型——质点，用来代替物体的运动，却忽略了上述的次要因素，而保留在运动过程中起主要作用的因素：物体的质量和它所占有的空间位置.并忽略空气阻力和浮力作用，同时不考虑物体的翻转等诸多因素的条件下成立的.而实际的落体运动不仅要考虑这些而且物体受到的阻力不仅与物体的形状和大小有关，还与下落的速率有关等等.

4.2.3局限性

任何理想化模型都是在一定条件下建立起来的，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.因此，自由落体运动，首先把物体看成质点.

4.2.4相对性

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，而在另一问题中不能看作质点处理，这就是理想化模型的相对性.如前面提到的地球的公转和自转的问题，研究火车的运动问题等等.

5理想化模型的作用

5.1在研究结果不发生较大偏差的基础上，使问题的处理简单化

例如，上面提到的地球绕太阳运转的问题：地球在绕太阳公转的同时，地球又绕其地轴不停的自转；而对于地球这个具有一定大小的球体，显然它上面各点具有相对于太阳不同的运动情况.但是在研究地球绕太阳公转时，考虑到日心到地心的平均距离约为145 900 000km，地球的半径约为日、地距离的1/23 439，而对比之下，地球的半径就微乎其微了.因此我们就可以忽略地球上各点相对于太阳在运动上差别.所以，我们研究地球绕太阳公转问题时，就可以把地球看作没有形状和大小的理想模型——质点.通过建立理想模型，大大简化了地球相对太阳运转的问题，而我们所了解的质点和点电荷，其实都是对真实物体或带电体的一种简化和抽象，诸如万有引力定律、牛顿运动定律、库仑定律、洛伦兹力公式等基本规律以及质点力学等基本理论都是在它们的基础上建立起来的.也正因为这两个理想模型的建立，才使一些较复杂，困难的问题得以解决.

5.2理想模型能够突出物体原型的本质特征，便于进行逻辑思维和发挥想象力

充分发挥想象力和综合运用多种逻辑方法是建立理想模型或一般物理模型的必要条件.理想模型可以帮助我们把握事物的本质和主要因素，从而忽略那些次要因素和细节.理想模型建立与利用，使我们在以现实条件为基础的同时又能超越我们现有的条件，充分发挥我们的想象力和逻辑推理能力，为今后的科学研究指明方向.

以理想气体的微观模型为例，认为气体分子的大小与气体分子之间的距离相比可以忽略不计是建立该模型的基本条件；气体分子在运动过程中遵循牛顿运动定律，气体分子与分子之间、气体分子与器壁之间的相互作用都可看作弹性碰撞，即在不改变气体分子的内部能量的前提下交换能量和动量；我们把气体分子的重力，以及除碰壁瞬间外分子之间的相互作用都忽略不计.我们就把这种可由无数自由地、无规律地运动着的弹性球分子结合起来的气体分子，叫做理想气体分子的模型.

在研究问题时，忽略分子内部各种形式的能量转换，这也就是理想气体分子模型的实质.在理想模型的基础上，建立了分子動理论，把物理学引入了分子世界，确实令人惊奇.

5.3利用物理模型的某些相似性，用类比的方法研究问题

例如，在天体运动模型中，基本原理为万有引力提供向心力、速度、加速度、动能和周期等都随着轨道半径变化而变化，而我们在研究原子发光理论时，核外电子所受的库仑力提供向心力，核外电子从外界吸收能量后向高能级跃迁时，我们会把天体的运动规律自觉地迁移过来，形成类比的方法来进行研究，从而使问题简化.

5.4从理想模型与实际原型的差异中可得到新的启示，产生科学预见

一切理想模型的建立都有一定前提条件的，这也就决定了它的局限性.当理想模型与实际结果出现矛盾时，我们必须认真地分析模型与实际情况.而往往可以从中得到启示，从而产生了新的科学预见.

如在固体物理学中，由于世界上不存在没有任何缺陷的完整晶体，而为了便于研究，建立了理想晶体这一模型.但通过微观理论强度计算所得的结果是实际金属材料强度的一千倍.于是人们就从中得到启示，预言金属材料的强度减弱的原因是实际材料中存在着许多缺陷，这就引发了人们对点缺陷、线缺陷、面缺陷与体缺陷的研究，并在实践中证实了这个预言.

6理想化模型方法的意义

6.1推动物理学发展

伽利略理想斜面实验为牛顿第一定律的建立，提供了有利的科学依据，伽利略对自由落体的研究开辟了科学的物理研究方法，光线的引人为几何光学的研究开辟了先河.能量子的提出为量子论的初步奠定了基础，所有这些理想化模型的建立和引入，都大大地推动了物理学的发展，加快了人们对物理规律的探索和研究.加快了人们对自然规律的认识.

6.2促进物理教学

在大学普通物理与中学物理教学的教学内容和形式上，理想模型都扮演着举足轻重的角色.为了更好地传授知识，引入了理想模型，而这种能够化抽象为具体，化繁为简的物理方法，在教学过程中，起到了事倍功半的效果.与此同时也培养了学生的思维和创新，对学生进行了科学方法论的教育.通过理想化方法的学习，可使学生从中学会如何抓住主要矛盾，忽略次要因素，学会处理实际问题的方法，教育学生学会进行科学抽象的方法.

因此，要让学生更加熟练地掌握物理知识，就要抓住每一个可培养学生科学思维能力的理想模型的教学过程，让学生从中得到锻炼，并且学到一些获益终身的思想方法和物理知识.

7结束语

综上所述，理想模型是从研究问题的简化和从实物中抽象而来的，它反映了原型的主要本质，忽略了次要因素.物理模型的建立是一种重要的物理方法，理想模型在物理学理论研究与物理教学中均具有重要的作用和意义.

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