构建物理理想模型的意义

朱碧莹

【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

中图分类号：G633.7

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質。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。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。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。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。

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。

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。

纵观物理学发展史，许多重大的发现与结论，都是由科学家们经过大胆的猜想构思，创建出科学的理想化的物理模型，并通过实验检验或实践验证，模型与事实基础很好吻合的前提下获得的。倘若离开了物理模型，不仅物理研究无法进行，而且对物理学科的纵深发展必然会起阻碍束缚的作用。

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。

3、教师在教学过程中要重视对学生建模意识的培养

理想的物理模型，既是物理科学体系中光辉的典范，也是解决现实物理问题不可或缺的依据，其重要性不言而喻。所以，教师在传授知识的过程中，要根据实际课时的内容安排，及时向学生强调基本物理模型建立的过程和条件，并要求学生牢固把握住这些基本的物理模型，并且在具体应用解决物理问题时，引导学生如何根据题设条件，从物理规律出发，通过分析、综合、类比等，突出对所要研究问题起主要作用的因素，略去非本质的次要因素，使思维从纷繁复杂的具体问题中抽象、构造出我们熟悉的物理模型，然后应用掌握的相关知识予以解决。当然，对学生这种能力的要求并非一朝一夕就能培养出来的，需要教师把这种建模意识贯穿在教学的始终。

2 、物理理想模型的作用

（1）培养学生正确的科学思维方法：中学物理教学中培养学生正确的思维方法是提高物理思维能力的基础，不同阶段物理学习思维方法有不同要求和特点，对此特点和规律的掌握直接影响学生物理思维的发展和学习的效果，因此引导学生建立和运用正确的思维方法很重要。在物理教学过程中对理想物理模型的建立和分析过程就是科学的思维方法培养和建立过程。

（2）理解物理学中的难点：中学物理教材中有许多物理知识比较抽象难懂，学生不容易理解和掌握，理想物理模型就是科学抽象方法的一种形式，它是以客观实体为原型经过科学抽象的产物，是客体主要特性的反映。通过物理理想模型教学，突出问题的主要因素、约化次要因素，使物理问题化繁为简、化难为易，易于学生理解和掌握物理研究对象的本质特征及其规律。

（3）形成科学的预见：由于理想模型的抽象过程中舍去了大量的次要因素，突出了事物的主要特性，这就便于发挥逻辑思维的能力，从而使得研究结果能够超越现有条件，指导研究的方向，形成科学的预见，得到重要的物理规律。

4、结论

理想物理模型在物理学研究和教学中有着非常重要的作用，它是学生学习物理知识的基石。同时，理想物理模型也贯穿于整个中学物理教材的各部分内容中，学生对一些重要物理知识、规律的掌握、理解及其思维能力的培养都建立在对理想物理模型的掌握和理解之上。所以，中学物理教学过程中的各个阶段都要特别注重对学生理想模型的建立、理解、掌握的基本思路、基本方法的培养和训练。endprint