物理学中的理想化方法

物理学中的理想化方法（精选8篇）

物理学中的理想化方法 篇1

在研究物理的过程中, 往往由于过程的影响因素比较多, 要发现过程中的本质及规律是不容易的, 或者是不可能的。因此我们需要对整个过程或过程中的某一部分进行假设而建立过程简单化的理想模型, 目的是抓住问题的主要的、本质的因素, 舍弃其次要的、非本质的因素, 变复杂条件的实际过程为简单的理想化过程。这样, 我们就可以透过事物的表面现象, 比较容易地发现事物的本质及变化规律。物理学中的许多物理概念和物理定理、定律就是通过这样的方法建立起来的。所以, 理想化方法是物理研究中广泛采用的理论思维方法之一。

一、物理研究中的模型化

模型化指的是在研究和探索事物的过程中为了便于发现其中的本质和规律而建立的一种抽象的、理想的事物形态, 是对某些事物中所包含的本质及规律采用逐步逼近的描述方法。例如, 在研究气体的性质和描述气体的物理量间的关系中, 麦克斯韦建立了气体模型:气体是由很小的、完全弹性的、只在接触时才发生相互作用的固体小球组成的系统, 从而奠定了气体分子运动论。在此基础上进一步对气体进行模型化:当分子间的距离接近十倍或大于十倍分子直径时, 就可以忽略分子之间的相互作用力, 从而建立了理想气体模型。显然, 如果没有“点电荷”这个理想模型的建立, 就没有库仑定律。没有气体模型和理想气体模型的建立, 就没有气体状态方程。同样, 如果没有质点的建立, 便不会有牛顿定律和万有引力定律。物理学中的物理模型非常多, 如铁磁性物质磁化模型、稳恒电流模型、原子核式结构模型等。可以说, 物理的全部定理、定律和公式都是对物理模型的刻画。物理模型化是物理学研究普遍采用的方法, 是建立和发展物理理论的重要手段。离开物理模型, 物理学的研究就寸步难行。

二、物理过程的理想化

自然界中的各种运动过程非常复杂, 为了研究问题的方便, 我们可以忽略次要因素, 突出物体运动的主要特征和规律, 把运动过程想象为一种简单化的、实际上不存在但又经得起实践验证的运动过程。

在研究物体的碰撞问题时, 认为该系统只在碰撞物体间内力的相互作用下发生的, 其他力与内力相比, 均可以忽略不计。在此条件下, 这一系统遵循动量守恒定律。而完全弹性碰撞规律又是建立在理想碰撞的这一理论过程的基础之上, 只要相互的物体所受合外力为零, 而且物体间相互作用的内力存属弹力, 这样的形变就能完全恢复。显然整个碰撞过程只存在动能和弹性势能之间的相互转化, 因此碰撞前后系统动量守恒。

同样在研究地球表面上物体的下落运动时, 往往被视为自由落体运动, 那是因为在落体运动过程中忽略了空气阻力、重力随高度变化等因素, 认识物体只在恒定的重力作用下的下落过程。显然, 满足自由落体运动条件的物体在自然界中无法实现, 但在许多情况下, 物体的下落很接近自由落体, 完全可以用自由落体运动规律来处理, 所以自由落体理想过程的建立有着重要的现实意义。

三、物理实验的理想化

物理学是一门建立在实验基础上的学科, 物理概念的建立以及物理定理、定律的发现, 往往是以实验事实作为依据的, 已经建立起来的物理定理或理论, 也必须经得起非常严格的科学实验的检验, 同时, 它又指导实验, 并在新的实验的基础上逐步完善理论。理想实验是一种假想的实验, 是人们在思想意识中塑造的一种理想过程, 但它是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法。它不是脱离实际的主观臆想, 因为理想实验是以实践为基础, 是在真实的科学实验的基础上, 抓住主要因素, 排除次要因素, 对实际过程作出更深层次的抽象分析, 指出客观现象的过程之间的内在联系及其规律, 并由此得出重要结论。

爱因斯坦就十分重视理想实验的研究, 他通过设想的闪电理想实验, 提出了同时性的相对性概念。他设想当两道闪电同时下击一条东西方向的铁路轨道时, 对站在两道闪电中的观察者来说, 这两道闪电是同时发生的, 但是对于乘坐一列由东向西高速行驶的火车上的观察者来说, 这两道闪电不是同时下击的, 同时性的相对性概念是建立狭义相对论的一个关键。而惯性定律是无法用实验验证的, 很多的自由落体运动也不便通过实验验证, 而采用理想实验来论证, 人们可以深信不疑。人类历史的长河中的大量实践已证实了理想化方法的合理性, 并在科学研究中已成为一种独特的、无法替代的理论思维方法。

物理学中的理想化方法 篇2

方法论问题是心理学研究的基本问题.随着心理学的发展,它已经与现代科学紧密结合.本文试图从传统的数学方法和现代数学方法两方面来阐述数学方法在心理学中的.应用.数学方法的应用,使心理学更具科学化,使心理学方法趋向多元化.

作 者：胡艳红  作者单位：陕西师范大学心理系,西安市,710062 刊 名：呼伦贝尔学院学报 英文刊名：JOURNAL OF HULUNBEIR COLLEGE 年，卷(期)： “”(1) 分类号： 关键词：心理学研究方法   传统数学方法   现代数学方法   模型   应用  

理想实验在物理教学中的作用 篇3

关键词：理想实验；物理教学；作用

G633.7

物理学的授课中除了理想模型之外，为了顺利开展物理教学，通常也会用到理想实验。理想实验其实就是思维中塑造实验的过程，通过理性的分析揭秘物理学中内在的联系，并不需要实际的操作过程，人们可以假设实验装置，并且以假设作为基礎，根据相关的理论进行推论，但是理想实验并不是不切实际的主观臆想，它以科学的实验作为基础，在思维中塑造理想，本文通过对理想实验应用的研究，唤醒广大师生对这一方法的重视，并作用于物理教学和学习。

一、理想实验在高校物理教学中的应用

1. 在总结物理规律方面的应用

首先，用来研究物理规律的类型。物理规律反应物理概念之间的内在联系，代表着物理现象发展的趋势，包含定理、假说、法则等，主要类型有：第一，运用实验归纳物理规律，例如，库伦定律，安培定则、光的反射、热力学定律等。第二，运用逻辑推理得到的物理定理例如，动能定理及理想气体的状态方程等等。第三，将一些定理作为基础，抽象出某个领域的宏观规律，例如，分子动理论、光的波动说等。第四，将普遍认可的物理规律作为别的规律的基础，通常使用定律或者方程等来命名，例如，热平衡方程、牛顿第一定律等。这些规律都是透过现象看本质，经过实践检验的，但是随着科技的发展，这些理论也只是相对真理。

其次，用来归纳物理规律的方法。概念及规律是物理学的主干部分，规律的总结过程需要在教师的引导下，结合学生的认知规律，常用的总结方法有：假说法，逻辑推演法、理想实验法等等。理想实验作为总结物理学规律的重要方法之一，是建立在事实基础上的发挥思维的重要作用，揭示规律的内在联系。例如，伽利略就是运用理想实验总结出规律，将两个质量不同的物体，在忽略空气阻力的情况下，让其下落，那么这一运动的加速度是重力加速度，也是匀变速直线运动。虽然这一假设的情况并不存在于现实中，是理想情况下进行的思维实验，但是这是合乎实际的想象。通过运用理想实验，伽利略归纳出，力的作用主要在于改变物体运动状态和速度，物体的运动并不需要依靠力来维持，也就是惯性定律。牛顿在总结前人基础上指出牛顿三大定律：所有物体都是保持匀速直线运动或者静止的状态，直到有力作用于其上迫使改变，也就是牛顿的惯性定律。

2. 在建立物理概念方面

皮亚杰的认知发展阶段论研究表明，初中学生的物理思维方式主要以形式运算为主。但是根据相关研究证实，美国初中生只有13.2%，即便是高中生也只有15%的人能够真正意义上达到形式运算阶段。研究甚至表明大学生中能够达到形式思维运算的也只有22%。根据我国的调查显示，我国大学生生中大概还有一半的学生仍然处于具体思维运算阶段。在目前大学扩招的情况下，特别在专科类学校的学生中，学生在理化等基础普遍较弱，此类学校的几乎大部分的学生都还是处在具体运算阶段，思维的片面性和想象能力相对缺乏。学生思维能力比较肤浅，大多数时候都需要具体的事物来辅助想象，认知能力有限，所以物理教师应该结合不同阶段学生的思维方式的特点，增强物理概念的直观性和形象性。而理想实验恰恰是建立在学生对真实实验感知的基础上的合乎逻辑的想象，在进行物理知识授课时，可以借助理想实验的实践性，有效结合形象和具体思维，让学生建立物理概念，激发学生对物理课堂的热爱。

在讲解爱因斯坦的狭义相对论的时候，首先要介绍相对性原理和光速不变性原理，相对性原理正是从理想实验中得出来的。理想实验应该是这样设计的，假设天空中的闪电同时下击东西方向铁路，第一位观察者在铁路旁边，同时也在闪电中间，那么他看到闪电同时发生，另外一个观察者在火车上，经过第一个人的对面，在他看来，闪电并非同时，东方闪电没有到达时，车已经过去，第二个人在远离东方闪电，也就是说对于静止的人来说，闪电是同时的，对于高速运动的人来说，闪电有先后，再进一步假设，火车是光速行使，那么第二个人根本看不到东方的闪电，这个理想实验能够得出同时是相对的，并不是绝对相对性。

3. 在创造性解答物理问题方面

很多的物理问题中的状态、过程都是多个要素和关系的交叉体，比较复杂，在分析相关问题时一方面要注意物理问题涉及到的各个要素和关系，另一方面还要考虑到他们之间的关系变化，在实际解决起来错综复杂。设计合理的理想实验能够结合问题的特点，将其关系到的状态及对象放置在绝对理想的环境下，那么就会让问题变得简单。

例如，假设桌子上有一个U型管，里面装着水银，将U型管的两端口封闭，同时，两边存有一段空气，最初，右端口的水银比左端口的水银高，设高出的高度的h，被封闭的两端的空气温度一样，那么如果使两边的空气温度同时下降，那么两端的高度差怎么变化？这里我们就可以根据器材帮助学生设计理想实验，因为下降的温度是不确定的，那么就可以假设都下降到绝对0度，这样，U型管两端的压强都会变成0Pa，因为0度的情况下，水银分子就不会运动，压强也就为0。既然压强为0，那么两端的水银也就不存在高度差了，h=0，所以利用这个理想实验能够得出结论。

再比如，有一质量是M的木杆静止不动地挂在房顶上，一只猫的质量是m跳起抓住杆子，这样导致木杆掉落，如果猫离着地面的高度不发生变化，怎么解释木杆下降的加速度？

这个问题中讲述的情况几乎在现实中不存在，这种情况下，物理老师需要帮助学生建立理想实验的思维模式，根据题目中的要求和画面，想象出类似的物理场景，结合牛顿的第二定律，做出判断，木杆下降的加速度肯定要比只承受重力的时候的加速度大，在此，使用物理实验能够帮助学生勾勒出物体运动的画面，提高他们建立模型的能力，发挥想象。

4. 在辅助真实实验方面

实验研究法是物理学很重要的研究方法，帮助学生掌握研究及实验方法，根据研究客体的分类可以将实验分为直接和间接两类，一般说的实验大多数都是指直接实验，间接试验主要指模拟实验和理想实验，在一定程度上来说，模拟和理想实验都是对真实实验的补充，在这里探究理想实验的辅助作用。

新課改后，高校物理实验课程中增加了探究性实验，由于其结果的未知性，增加了实验过程的难度，再者实验课堂时间有限，这对学生和老师的要求更高。学生在进行探究性实验之前需要预先设计实验过程，这就需要借助理想实验精心设计每个环节。

现实中的真实物理实验有时候受到实验器材、方法等方面的限制，容易出现误差，但是，理想实验正弥补了这点不足，它不需要真实的实验设备，操作的方法及环境要求都在完全理想状态下进行，这样就避免了误差的出现，这也为真实实验的误差弥补和分析提供了标准。比如，在验证机械能守恒时，多种方法的实验都会受到各种问题的限制，势能的减小总是大于动能的增加量，这就意味着出现机械能减小。但是，假设预先对物体的下落做一个理想实验，那么在理想实验的过程中，就能够及时察觉到，在真实的实验条件下，纸带和打点计时器中间会有摩擦，正是这个摩擦力导致机械能减少。除此之外，物体在下落的过程中，由于真实条件下空气阻力的存在，导致机械能被消耗，所以减少，根据理想实验的结论，就可以发现真实实验的误差原因，及时更改，完善实验，尽量减少误差。这样可以帮助学生深入思考，提高形象思维能力，从而得出结论。

在物理教学实验过程中，很多实验只能进行定性的研究和演示，很难进行定量观察。所以教学中会有这样的说法，大量精确实验表明，实际上这种说法不准确，物理老师也无奈，所以在教学中可以引导学生通过理想实验，推理各种物理量的联系，这样能够弥补演示实验的缺陷。

5. 理想实验可以调节课堂氛围，激发学生学习的兴趣

理想实验设置科学合理可以有效活跃课堂氛围，增进师生感情，激发学生的兴趣，提高情商和智商的可塑性，能够影响学生今后的学习甚至工作。还可以借助现代科技设计色彩动画，能够拓宽学生思维。对于很多难以理解的内容，借助理想实验可以出于简单归于深奥，比如，麦克斯韦进行的理想实验用鲜明的图像解释了热力学定律，作为信息论的先导。

二、结语

运用理想实验教学需要教师在教学中引领学生树立创新思维，一方面创造性使用教材中的理想实验，另一方面，大胆创造新的理想实验，活跃学生的思维，此外， 随着科学技术的发展，多媒体教学方式的应用，还可以使用三维动画的方式进行理想实验，但是注意理想实验设计要符合科学规律，帮助学生运用科学的思维方式。

参考文献：

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[6] 曾志旺，徐立海.理想实验与中学物理教学[J].物理教学探讨，2005（5）：3-4.

高中物理中的理想化方法简介 篇4

物理学的研究方法主要有观察方法、实验方法、理想化方法、类比方法、等效方法、假说方法、数学方法等。因为高中物理教材的内容基本上是以知识体系来表述的, 而物理学的研究方法则以分散的形式隐含在物理知识的表述之中, 所以导致学生学习物理时, 未能注意到物理学研究方法的学习, 从而又影响了物理知识的学习及应用, 给学生学习物理带来一定的困难。

本文仅就物理学的研究方法之一的理想化方法作初步介绍。所谓理想化方法, 就是人们在观察和实验的基础上, 通过抽象思维, 把研究对象置于理想状态下, 简化复杂因素, 忽略次要因素, 用理想化的客体形象代替具体的客体形象而进行科学研究的方法。纵观整个中学物理教材, 其中所提到的理想化方法主要包括以下三个方面:其一是理想模型, 其二是理想实验, 其三是物理条件的理想化。

一、理想模型

实际的物理现象和物理过程都是十分复杂的, 涉及到众多的因素。所谓理想模型, 就是忽略次要因素和无关因素, 突出反映事物的本质特征而建立的物理模型。实验观察是建立理想化模型的基础, 抽象分析和想象是建立理想化模型的基本手段。理想模型可以使物理现象或物理过程简化和理想化。理想模型可以分为对象模型、条件模型和过程模型。

1、对象模型

用来代替具体物质组成的、代表研究对象实体系统的模型就是对象模型。如质点、刚体、单摆、理想气体、点电荷、稳恒电流、理想变压器、薄透镜、绝对黑体、原子模型等都属于对象模型。

2、条件模型

把研究对象所处的外部条件理想化所建立的模型就是条件模型。如光滑平面、轻杆、轻绳、均匀介质、匀强电场、匀强磁场等都属于条件模型。

3、过程模型

把具体过程纯粹化、理想化后所抽象出来的物理过程, 就是过程模型。如匀速直线运动、匀变速直线运动、简谐振动、弹性碰撞、等温过程、绝热过程等, 都属于过程模型。

每种模型都有特定的运用条件和适用范围, 把一个实际问题抽象成什么样的模型, 要具体问题具体分析, 综合考虑问题的目的、性质、程度等等, 然后再作出选择。例如在研究地球绕太阳公转运动时, 由于地球与太阳的平均距离 (约为14960万千米) 远远大于地球的半径 (约6370千米) , 地球上各点相对于太阳的运动可以看作是相同的, 即地球的形状、大小可以忽略不计, 这样就可以把地球当作一个“质点”来处理, 而在研究地球的自转运动时就不能把地球当作“质点”来处理。再如大炮发射炮弹时, 如果研究炮弹在空中运动的轨迹, 我们可以把炮弹简化成质点模型;如果研究炮弹在炮膛里的运动, 我们就不能忽略炮弹的转动, 而应该把它抽象成刚体模型。在物理学习中, 涉及到理想模型的运用时关键是要理解理想模型是如何简化和抽象的和为什么要进行这样的简化和抽象。

建立物理模型是物理学研究普遍采用的方法, 离开了物理模型, 物理学的研究就寸步难行。例如没有“点电荷”这个理想模型, 就没有研究电荷间的相互作用的库仑定律;又如没有“理想气体”这个理想模型, 就得不出理想气体的状态方程;再如没有“质点”这个理想模型, 就不会有牛顿定律和万有引力定律。可以说物理的全部定理、定律和公式都是对物理模型的刻画。

二、理想实验

物理学是一门建立在实验基础上的学科, 物理概念的建立以及物理定理、定律的发现, 往往是以实验事实作为依据的, 已经建立起来的物理定理或理论, 也必须经得起非常严格的实验的检验。

“理想实验”又叫做“假想实验”、“抽象实验”或“思想上的实验”。真实的科学实验是一种实践活动, “理想实验”则是一种思维活动, 但它不是脱离实际的主观臆想, 它是逻辑推理的一种特殊形式。与实际实验相比, 理想实验能更大程度地突出实验中的主要因素, 忽略次要因素, 并能自由地超越当时技术水平的局限, 得出更抽象、更概括、更深刻的结论, 揭示自然本质形象。

例如:牛顿物理学的基石———牛顿第一定律, 就是通过“理想实验”得出的一个重要的物理规律。两千多年前, 古希腊学者亚里士多德就根据自己的经验和直觉得到这样的结论:必须有力作用在物体上, 物体才能运动, 没有力的作用, 物体就要静止下来。也就是说亚里士多德认为力是维持物体运动的原因。而三百多年前意大利物理学家伽利略观察到:当一个小球从一个斜面上由静止滚下来又滚上第二个斜面时, 小球在第二个斜面上所达到的高度, 与它在第一个斜面上开始滚下时的高度几乎相等 (如图1) 。伽利略由此推断高度上的这一微小差别是由于摩擦而产生的, 如果没有摩擦的话, 小球在第二个斜面上所达到的高度, 与它在第一个斜面上开始滚下时的高度将相等。于是, 伽利略推断在完全光滑的情况下, 若减小第二个斜面的倾角, 小球在这一斜面上要达到原来的高度就要通过更多的距离 (如图2) 。根据这种运动趋势进行分析推理, 若继续减小倾角, 最终使其成为一个水平面, 则小球永远不能达到原来的高度, 必将沿水平面以恒定的速度运动下去 (如图3) 。伽利略由此推断出:一切运动着的物体在没有受到外力作用的时候, 它的速度将保持不变。

这个实验是无法实现的, 因为不可能把自然界的任何物体孤立起来, 不受外力作用的物体是不存在的, 另外也不能把第二个斜面做得无限长, 所以伽利略的实验是一个“理想实验”, 但是它揭示了自然规律。伽利略的卓越之处在于把实验与思维巧妙地结合起来, 打破了亚力士多德“力是维持物体运动的原因”的结论, 为经典力学的建立奠定了基础。牛顿在伽利略研究的基础上总结出:“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态, 直到有外力迫使它改变这种状态为止”, 这个结论被牛顿总结为牛顿第一定律。

爱因斯坦在创立狭义相对论和广义相对论时, 也使用了理想实验的方法。他设想当两道闪电同时下击一条东西方向的铁路轨道时, 对站在两道闪电中的观察者来说, 这两道闪电是同时发生的, 但是对于乘坐一列由东向西高速行驶的火车上的观察者来说, 这两道闪电不是同时下击的, 同时性的相对性概念是建立狭义相对论的一个关键。

理想实验是物理学中极其重要的一种研究方法, 大量实践已经证实了理想化方法的合理性, 理想化方法在科学研究中已经成为一种独特的、无法替代的理论思维方法。

三、理想过程

对于所研究的物理过程也要抓住主要矛盾, 忽略次要矛盾, 才能有利于认识这些理想状态下的发展变化过程, 用一个理想化的物理过程形象近似地反映实际的物理过程, 从而把握物理现象和规律。如力学中的匀速直线运动、匀变速直线运动、抛体运动、匀速圆周运动、简谐振动、热学中的等温、等压、等容、绝热过程;电磁学中的稳恒电流、正弦电流、匀强电场、匀强磁场中的各种带电粒子的运动等等。

物理学中的理想化方法 篇5

一、理想实验

所谓“理想实验”, 又叫做“假想实验”、“抽象的实验”或“思想上的实验”, 它是人们在思想中塑造的理想过程, 是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法.理想实验方法是形成物理概念、建立物理规律的基础;运用理想实验方法, 可以简化和纯化研究对象及其所处状态和发展变化的过程, 大大方便了对物理问题的处理;对于许多复杂的物理问题、可以先进行理想实验, 再对实验所得出的结论加以适当的修正, 以便于解决实际的物理问题.

1.理想斜面实验.作为经典力学基础的惯性定律, 就是理想实验的一个重要结论.伽利略用著名的理想斜面实验, 纠正了亚里斯多德“运动需要力来维持”的错误观点, 发现了力与运动关系的规律.伽利略所采用的理想实验和科学推理的方法, 得到了爱因斯坦高度赞扬:“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一, 而且标志着物理学的真正开端.它是由考虑一个既没有摩擦又没有任何外力作用而永远运动的物体的理想实验而得来的, 这个发现告诉我们, 根据直接观察所得出的直觉的结论不是常常可靠的, 因为它们有时会引起错误的线索上去.”从这些例子以及后来的许多的例子中, 我们认识到用思维来创造理想实验的重要性.

2.关于运动时钟延缓的研究.关于运动时钟延缓的结论, 爱因斯坦创立相对论时, 是由一种理想实验推导出来的, 但到了1971年, 美国的哈弗尔 (Hafel) 和凯丁 (keating) 作了实验, 他们把四只铯原子钟放到飞机上, 在赤道平面附近高速度向东及向西飞行, 也就说相对于地球的速度不同, 当飞机分别绕地球航行一周回到地面的出发点时, 与一直静止放在那里的铯原子钟对时间, 结果表明, 处在向东飞行的飞机上的钟, 其读数平均慢了59×10-9, 处在向西飞行的飞机上的钟, 平均快了273×10-9秒, 这种实验结果与相对论理论计算值在10%的误差范围内完全一致.这个实验, 一方面检验了狭义相对论的正确性, 另一方面也说明了人们已将前人理想实验转化成了真实实验.自然科学的理论研究中, 理想实验具有重要的作用, 作为一种抽象思维的方法, 可以进一步揭示出客观现象和过程之间内在的逻辑联系.对于推翻旧的不合理理论、建立新的正确理论, 起着重要的推动作用.

3.单摆运动的研究.在研究单摆的运动规律时, 高中教材上曾写道:“在一根不能伸长、又没有质量的线下端系一个质点”就是一个单摆.我们知道, 在自然界中既不存在不能伸长又没有质量的线, 也不存在只有大小而没有质量的质点.但是在我们研究单摆运动的过程中, 单摆的质量和伸长是很微小的、是次要的, 摆球的大小可以不考虑, 介质阻力也可以忽略.

还有, 我们得到的单摆周期公式中, 很明显, T与幅角无关, 实际上通常情况下, 单摆的运动不是简谐运动、只有当摆角很小时 (小于50时) , 单摆的运动才可以看作是简谐运动.当摆角较大时, 上面的公式需要加以修正.

单摆在实际生活中很有用, 惠更斯在1656年首先利用单摆的等时性发明了带摆的计时器 (1657年获得专利) , 由于单摆的周期可以通过改变摆长来调节, 所以计时很方便, 因此现在仍然应用在时钟里.而且利用单摆的等时性还可以测定各地的重力加速度.

二、理想模型

理想模型是为了便于研究而建立的一种高度抽象的理想对象.作为科学抽象的结果, “理想模型”也是一种科学概念, 但是它不同于一般科学概念.引入理想模型可以使问题的处理大为简化, 而又不会发生多大的偏差.对于比较复杂的研究对象, 可以先研究它的理想模型, 然后对研究结果进行修正, 使它与实际的对象相符合.理想模型一般可分为对象模型、条件模型、过程模型等.

1.对象模型.所谓对象模型, 就是用来等效代替研究对象实体的理想化模型, 例如质点、弹簧振子、点电荷、理想变压器、点光源、光线等都属于对象模型.对象模型的建立, 会使得我们解决问题大为简化.如在研究地球绕太阳公转时, 忽略地球的自转效应, 我们把地球看作一个质点, 就很简单明了.

2.条件模型.把研究对象所处的外部条件理想化建立的模型叫做条件模型.如光滑表面、轻杆、细绳、均匀介质、匀强电场和匀强磁场等都属于条件模型.在研究物体运动时, 把所处的条件理想化, 抓主要因素, 同样会使问题简明化, 而对其研究的结果影响又极其微小, 它还会使得某些本来无法解决的问题得以解决.

3.过程模型.实际的物理过程都是有诸多因素共同作用的结果, 忽略次要因素的作用, 只考虑主要因素引起的变化过程叫做过程模型.例如, 在空气中自由下落的物体, 在高度不大时, 空气阻力比起重力可以忽略不计时, 可抽象为自由落体运动, 这就是一个理想化的模型.匀速直线运动、匀变速直线运动、抛体运动、匀速圆周运动、简谐运动、等温过程、绝热过程等都属于过程模型.

浅析高中物理中理想化方法的教学 篇6

理想化方法,是科学抽象的一种特定形式,是人们运用理性思维的方式之一。我们知道物理学所研究的各种事物及现象都是很复杂的,往往是各种因素都交织在一起。为了找到研究问题的思路和简化程序,人们就在一定场合,一定条件下把现存的实际事物当作理想形态处理,对这些复杂的实体或实体过程进行思维加工。因为在一定现象中,并不是所有的条件,所有的性质都起着同等重要的作用,所以有必要对实体(或过程)给予简化,纯化,抽取主要因素,抓住主要矛盾,舍去次要因素,排除偶然性,揭示必然联系。所谓理想化就是在思维中,用理想的客体代替现实的客体,按照一定的逻辑规则,通过设想,推导,论证揭示事物的思维过程。

2 理想化方法的分类

2.1 理想模型

理想模型是以客观存在的事物为原型,在思维中形成一种高度抽象的理想客体,并用之来代替原型,建立描述这种客体本质属性的方法。先将物理问题经过科学抽象简化成某个物理模型,然后研究模型,推导有关物理规律,再运用这些物理规律去分析解决实际的物理问题。这样一个循环的过程,也就是一个“实践—理论—实践”的过程。物理模型有实物模型和过程模型。

2.1.1 实物模型

物理学的研究对象是客观存在的实际物体,通过简化,抽象建立起来的物理模型叫做实物模型。翻开中学物理课本,映入眼帘的是“质点”,“刚体”,“单摆”,“弹簧振子”,“点电荷”,“理想气体”,“光滑斜面、导轨”等,这些模型正是事物在某种条件下的近视,即实物模型。

我们拿“质点”模型来加以说明。一般情况下,我们研究一列火车沿铁轨运动,严格说来是很复杂的,其中有火车车身的运动,车轮的转动,车厢的晃动,蒸汽机活塞的运动,水和水蒸气的热运动,发电机中的电磁运动等等。假如我们只考虑火车沿轨迹的整体运动,即研究火车车身的运动,便可以忽略那些与火车车身运动关系不大的次要运动,即认为火车上各点的运动完全一样——平动。这样,我们便可以用一个有质量的点的运动来代替整体的运动,也就是把火车看成是一个“质点”来处理。同样,地球绕太阳的运动,雨点的下落运动,飞机在高空运动等,在一定条件下都可以把它看成是质点运动,都可以用质点的运动规律来描述。所以“质点”模型是一个通用模型,它是从实际物体抽象出来的,反映了形形色色作同样形式运动不同个体之间的共性。

在研究气体性质时,由于在温度不太低,压强不太大的条件下的实际气体分子间的相互作用力极其微小,分子所占的空间与其自由活动空间相比亦甚微小,在此情况下,可把所研究的实际气体作理想化处理,即要求气体分子间无相互作用,气体分子不占空间,从而使研究问题的过程大为简化,这就是理想气体模型。

2.1.2 过程模型

物理学的研究任务之一是要找出运动所遵循的规律。如果不对这一运动过程进行近视处理,忽略次要的因素,保留本质因素,那么几乎不可能得出结果。因此就必须在一定的条件下把这一运动过程进行理想化,抓住主要的因素,建立理想的过程模型,从而找到运动规律。如在公路上行使的汽车,虽然公路并不是一条几何直线,汽车的位置随时间变化也不是绝对均匀的,但若公路偏离直线很小,汽车的位置随时间变化的不均匀也不明显,那么都可以进行忽略。任何运动若能忽略这两点,都可视为匀速直线运动。又如一个铁球在空中静止落下,影响铁球运动的首先是地球引力,严格说来,这个引力并不是恒力,小球越接近地面,引力就越大。其次还有空气阻力,这个阻力随着速度的增大而增大,另外还须考虑由于地球自转而引起的影响。这样,铁球的下落运动相关因素十分复杂,几乎很难研究得出研究结果。但如果物体在近地空间下落,可不考虑高度变化引起的引力变化,也可不计地球自转的影响,若在略去空气阻力,那么铁球就仅在不变的重力作用下的运动,就理想化为“自由落体”运动。其实,在热力学中,理想气体的“等容”,“等温”和“等压”过程实质都是一种理想化的物理过程模型,是实际过程中的一种近视。还有匀速圆周运动,抛体运动,简谐振动,完全弹性碰撞,绝热过程,稳恒电流,正弦电流等,也都是人们在思想中塑造的理想过程。

2.2 理想实验

理想实验,又叫假想实验,抽象实验,思想上的实验,它也属于理想化的方法。理想实验实际上是一种逻辑推理的思维过程,是科学抽象的产物,它往往是人们在物理实践中遇到某些无法解决的问题时在真实的科学实验的基础上,抓住主要矛盾,忽略次要因素,根据逻辑法则由大脑构想出来的一种无法实现的实验。由于理想实验存在着它的客观根据,即理想实验的实践基础,故能得出合乎逻辑的结论,从而在物理学的理论研究中起着重要作用。例如作为经典力学基础的惯性定律,就是理想实验的一个重要结论。

3 理想化方法的教学

物理理想化模型能清晰反映问题本质,有利于分析和发现规律。建立正确的理想化模型是物理学中分析问题和解决问题的重要思维方法。因此在高中物理教学中,怎样运用理想化方法进行教学就显得至关重要。对理想模型的概念,要让学生明确三点:概念、特点和目的。如质点,概念:有质量的几何点;特点:有质量,无尺寸,现实中不存在,假想的,虚构的;目的:用它代替现实中的实际物体,使问题难度降低和容易表述。对于学生,某一理想模型定义的本身并不重要,而人们之所以要引入它的目的却十分重要。如无内阻的理想电源、理想气体、光滑表面、点电荷、磁感线等等,在教学的应用中要经常让学生体会和感受它的目的性,更要让学生知道,这种思维方法是简捷的、高明的。对理想模型运用的意义包括。第一,是抽象思维训练的重要方法。这种训练有个循序渐进的过程,就像语文课上背诗词一样,是个逐渐熏陶而成的过程。第二,是解决实际问题的基础。实际问题是复杂繁琐的,不能直接研究,必须先从理想模型入手,再向实际问题过渡。

3.1 理想化方法在课堂教学中例举

在课堂上,能把理想化方法的思维渗透到学生中去,使学生对于课堂上建立起来的理想模型和实验,能够很好地接受,领会并能简单运用,这是教师的一大任务。

我们以高中物理《电场强度》一节为例,讲述一下怎样用理想化方法来进行教学。电场最基本的性质是对处在其中的电荷有力的作用。为了研究电场的这种特性,我们需要在电场中放入一个电荷去“试探”,那么对该试探电荷有哪些要求呢?首先我们通过一个例子来类比一下:要用一把尺子去测量水的深度,如图(1)所示。当把尺子插到容器里后,水面的高度将会有所升高,这表明测量的工具会影响测量的结果。为了使这种影响尽可能地小,应该把尺子做的薄一些,最好尺子根本就没有厚薄,这样水面的高度就不会随着尺的插入而上升。我们回到前面,当把“试探”电荷放入电场中时,它多少也会影响被研究的电场的分布。例如图(2),金属球A上带有正电荷Q,当A孤立时,其中的电荷分布是均匀的,球外电场的分布也具有对称性。但当我们在A球右边附近的B处放一个负电荷q(试探电荷)后,由于电荷的相互作用,球上的电荷会重新分布,A球上的电荷将是左疏右密。这样,电荷q试探到的电场已经不再是原来的电场了。要使不影响原来的电场并且希望试探电荷能探明电场中每一个点的性质,我们要求该试探电荷应没有线度和形状,并且电荷也要足够小。可见,该试探电荷是一个理想的点电荷。即使我们拿一个线度和电量非常小的电荷去实验,测量它所受到的电场力也是非常不容易的。因此,我们就采用理想实验,一切操作都在脑子里“思维地”进行。这样,我们就获得了对电场力的性质的准确认识,建立了电场强度的概念。经过引入理想化模型,采用理想实验所处理后得到的电场强度概念是科学的,而且也只有这样处理才能得到结果。

3.2 理想化方法在解题教学中例举

很多学生都说物理题难解,其实之所以认为难原因就是不知道运用理想化方法去处理问题也就是不知道建立何种物理模型来解题。针对如此情况,教师在教学中应逐步让学生掌握如何采用理想化方法根据题目建立理想模型,并让学生会用所得的理想模型来分析和解决问题。请看以下例子:

例:汽车以一定速度在宽阔水平路上匀速直线行驶,忽然发现正前方出现一堵长墙,为了尽可能避免碰到墙壁,司机急刹车好呢?还是转弯好?为什么?

拿到这个题目,首先要读懂题目的意思。题目问“急刹车好还是转弯好?”实际上是问哪种做法碰壁的可能性小。

其次,忽略一些次要因素,抓住汽车两种运动的主要因素,建立两种正确模型。汽车急刹车的模型:刹车装置刹住轮子,轮子不能转动,汽车由于惯性向前冲,轮子在地面上滑行,地面对轮的滑动摩擦力使汽车作匀减速运动,甚至停下来。如果要避免汽车碰到墙壁,就必须使汽车在从刹车到停止的整个过程中所前进的距离小于司机发现墙时急刹车的地点到墙的距离。汽车转弯的物理模型:理想化的匀速圆周运动模型。车子是否碰墙,在于轨道半径R的大小。轨道半径R又是由向心力决定的,这个向心力是静摩擦力提供的。根据题意,可以认为静摩擦力的最大值与滑动摩擦力近似相等。

解题过程简述如下:根据动能定理,汽车刹车后滑行的距离X和滑动摩擦力的关系为:

根据匀速圆周运动公式,汽车转弯是的向心力为:;由此得出,汽车急刹车碰墙的可能性小。

这是一道说理题,题中没有一个具体数字,也没有一个表示物理量的文字符号。初看题目,似乎无从下手,然而只要仔细考虑,分析题目,在实际情况的基础上建立相应的物理模型,再从中寻找有关概念和物理量之间的关系,题目就不难解答了。

3.3理想化方法在实验教学中例举

理想化方法对于实验教学有着不可忽视的作用。在得出牛顿第二定律前,研究加速度a与F之间的关系时,我们也采用了理想方法来处理实验。我们近似认为挂在小车上的砝码的重力就是小车所受到的拉力。但其实这样的忽略是有条件的。由受力情况得:

mg-F=ma,F=Ma,得到,即当M>>m时,F才等于mg,我们在实验中认为F=mg是在一定情况下的近似。其实,在有电流表和电压表参加的所有试验中,我们也采用了理想化方法,把电流表的内阻近似为零,而把电压表的内阻近似为无穷大,从而使研究实验处于方便状态。

通过上面的分析,培养学生掌握理想化方法应注意以下几点:(1)要让学生明确我们所研究的任何一个物理问题,都可以用一定的理想化模型代替实际物体和实际过程,也就是采用理想化方法;(2)要告诉学生我们对物理问题进行理想化时,一定要抓住其本质特征,同时应清楚这种代替带来的偏差时可以容忍的,也是科学的;(3)要求学生运用理想化方法研究问题时,一定要“具体问题具体分析”,力戒绝对化,力争用最简单的模型进行代替。

总之,理想化方法是物理学研究中最常用,最基本的方法之一,是科学研究方法论中的一个重要部分。在中学物理教学中,对于知识的传播,学生能力的培养有着十分重要的作用。

摘要：理想化方法是物理学研究中最常用、最基本的方法之一,是科学研究方法论中的一个重要部分。本文阐述了理想化方法的含义、种类及在高中物理教学中应用理想化方法的必要性和重要性,同时也论述了教师怎样培养学生掌握理想化方法。

关键词：关健词,理想化,理想模型,理想实验

参考文献

[1]王沛清主编.提高物理解题能力的途径.湖南教育出版社,1982.

[2]储文启.论物理教学中的理想化思维方法.连云港教育学院学报,1998(4).

高中物理教学中理想化方法之我见 篇7

一、理想化方法是一种什么样的方法

谈到理想化方法,估计一线教师的反应常常是“注重主要因素,忽视次要因素”等,也有人给出了“理想化方法就是借助于抽象概括虚构出一些与问题相关的方面同现实物体结合,但又不是现实物体的其他各种复杂性的理想物体,并以它们来近似代替现实物体进行研究的科学方法”的理解。显然,无论是前者朴素的理解,还是后者带有学术定义式的理解,都在尝试从不同角度对理想化方法进行深度认识。

笔者以为,对理想化方法的理解决定着课堂上的教学效果,因为无论教师自己是否意识到,教师的教学行为必然是受自己的教学理解支配的,有什么样的理想化方法理解,就会有什么样的理想化方法教学行为(当然,也可能会出现基于学生生成而获得新的理解的可能,但那也是以教师自身的原有理解为基础的)。对“理想化方法”的基本理解应当是“‘理想化’方法”,一个实际的物理过程是如何被理想化的?有人认为,理想化方法就是一种简单化、粗糙化和近似化的方法,这样的理解能够描述理想化方法的一般特征,却没能指出其实质。笔者以为,包括理想化方法在内的所有科学方法,均是基于某个明确的目的而提出的,都是为了解决某些具体的问题而出现的。

二、理想化方法的教学应当如何实施

从学生知识建构的角度来认识理想化方法,是有效的科学方法教学的途径之一。从学生知识建构的角度来认识理想化方法,也可以让高中物理教学获得与传统教学不同的视角。那么,从学生知识建构的角度如何实现以理想化方法为线索的教学呢?这里就以“自由落体运动”的教学为例,作一些分析。

自由落体运动的关键在于物体只受重力(且默认为不变的重力)。作为物理教师应当知道这其中有两个变化因素:一是空气阻力;二是物体所受重力。前者上面已作分析,后者则是由于理论上物体与地心距离的变化导致的g值变化。由于这两个因素尤其是后者无法消除,因此,真正意义上的自由落体运动是不存在的,自由落体运动只可能是一个理想的运动。实际教学中可以遵循这样的教学顺序:

第一步,引导学生全面认识“落体运动”。这里的全面认识,主要就是从运动与受力两个方面进行分析。学生一般会认识到受两个力作用,但一般认识不到这两个力的变化情况,必要的时候教师可以作一些延伸,以促使学生生成全面的认识。第二步,引导学生认识分析“落体运动”的复杂性。由于力的变化,且是难以掌握其规律的变化,因此下抛物体的运动变化情况将十分复杂———这种复杂性可以通过阻力和重力的变化分析,以及力与运动之间的互相影响来体现(具体略)。第三步,对复杂问题进行抽象、简化。基于“能否简化认识落体运动”的问题去进行抽象与简化(这正是“理想化”方法运用的关键过程),即忽视阻力且默认为重力不变,那物体的运动就极为“自由”,于是就定义为其“自由落体运动”,此时的运动规律可以通过牛顿第二运动定律来进行简单描述,问题得到初步解决。第四步,评估。这样的简化有没有道理?这需要引导学生进行评估,教师可以通过资料的提供让学生认识到这样的理想化的结果,与实际运动的结果几乎没有任何的区别,这就说明理想化的方法是可行的(这正是判断理想化的关键因素)。因此,实际中的落体运动常常可以认为是自由落体运动。

三、理想化方法教学的思路发散延伸

基于以上教学过程进行反思,可以发现包括理想化方法在内的物理思想方法的教学,很多情况下必须坚持显性教学的思路,即将思想方法凸显出来,让学生认识到这些方法在具体的知识建构过程中所发挥的重要作用。也就是说,高中物理的思想方法教学尤其是基本的、常用的一些思想方法,必须坚持显性化教学的思路。

作出这一判断,是基于教学实际看到的一些情形,很多时候,含而不露的思想方法教学,常常会让学生的思维处于混沌的状态,他们不知道一些方法为什么适用。就拿本文主要论述的理想化方法来说,不少学生都会认为理想化方法存在不能描述客观事实的问题,这就意味着教师在教学过程中没有对该方法进行评估,而要想对该方法进行评估,就必须基于显性的方法教学,去判断理想化之后的结果与实际结果的差别。只有当学生看到理想化之后几乎不影响对实际情形的描述,且理想化之后分析思路与过程极为简化之后,才会认识到理想化方法存在的价值,而这恰恰是物理思想方法教学中的一大关键。

参考文献

物理学中的理想化方法 篇8

一、实物模型

实际物体在某些特定条件下可以抽象为理想研究对象, 如质点、点电荷、轻绳、轻杆、轻弹簧等。

用来代替物体的有质量的点叫质点, 如果实际物体的形状和大小在所研究的问题中影响不大从而可以忽略, 就把实际物体简化为质点, 例如在研究地球绕太阳的公转时可以把地球看做一个质点处理。

当带电体本身的大小和形状对研究的问题影响很小时可以将带电体视为点电荷, 将理想模型的结果直接应用于实际物体。

轻绳、轻杆、轻弹簧这三种模型是由各种实际的绳、杆和弹簧抽象出来的理想化模型, 共同特征是质量忽略不计, 但是特性并不完全相同。

轻绳在受外力作用时不发生形变, 其弹力特征为: (1) 只能产生沿绳收缩方向的拉力; (2) 内部张力处处相等; (3) 拉力能突变。轻杆弹力特征为: (1) 能提供拉力也能提供压力或支持力; (2) 但力的方向不一定沿杆的方向 (如果一端用铰链连接弹力才一定沿杆方向。 ) ; (3) 弹力可以突变。轻弹簧可以被压缩或拉伸, 弹力的特征为: (1) 能产生沿轴线方向的压力或拉力; (2) 弹力方向与形变方向相反; (3) 弹力不突变。

二、过程模型

在有些情况下要将实际问题忽略次要因素, 考虑共同特征, 使其过程理想化, 如匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速圆周运动、弹性碰撞等。

可以把汽车在平直公路上一段时间内的运动和火车的运动都简化为匀速直线运动。石子从楼顶释放后的运动简化成匀变速直线运动。

天体运动问题在高中阶段都简化为匀速圆周运动。匀速圆周运动特征为: (1) 具有大小不变的合外力; (2) 合外力方向与速度方向始终垂直; (3) 由合外力提供向心力。还可以根据这些特征判断一个圆周运动是否匀速圆周运动。

在理想化情况下物体相碰后能够恢复形变, 并且碰撞过程中没有动能损失, 这种碰撞叫做弹性碰撞, 是很典型的理想化模型。生活中, 硬质木块之间碰撞或小钢球之间碰撞, 碰撞过程中动能的损失很小, 可以看成弹性碰撞。这种模型特点为: (1) 作用时间极短; (2) 相互作用的内力很大, 外力可以忽略, 系统动量守恒; (3) 可以忽略碰撞过程中发生的位移。我们只考虑简单的一维碰撞:从理论上分析不同情况下碰撞前后速度的变化情况。假设物体m1以速度v1与原来静止的物体m2碰撞, 碰撞后它们的速度分别为v′1和v′2。我们的任务是得出用m1、m2、v1表达v′1、v2′的公式。此过程遵循动量守恒:m1v1=m1v1′+m2v2′, 遵守机械能守恒:1/2m1v21=1/2m1v1′2+1/2m2v2′2, 碰撞后两个物体的速度分别为v1′=m1-m2/m1+m2=v1, v2′=2m1/m1+m2=v1, 我们对以下几种情况下两个式子的结果进行分析。1m1=m2时, 两个物体质量相等。v1′=0, v2′=v1这表示第一个物体的速度由v1变为0, 第二个物体由静止开始运动, 运动的速度等于第一个物体原来的速度。2m1>>m2, 第一个物体质量比第二个大得多。v1′=v1, v2′=2v1, 碰撞后第一个物体的速度不变, 第二个物体以2v1的速度被撞出去。3m1<<m2第一个物体质量比第二个小得多。v1′-v1, v2′=0, 第一个物体被撞了回去 , 以原来速率向反方向运动 , 第二个保持静止。理论分析结果与实际物理情况一致。

三 、情境模型

从生活情景出发, 利用画图把情景过程展现出来, 学生就会体验到物理就在生活中, 让学生在情境中学习给枯燥的学习带来活力。情境模型有人船模型、平抛运动模型等。

一个原来处在静止状态的系统, 当系统内的物体间发生相对运动, 此过程中有一个方向上动量守恒, 这种模型叫人船模型。模型特征为: (1) 整个系统在水平方向动量守恒; (2) 两物体速度, 大小与质量成反比, 方向总相反; (3) 两物体同时运动同时停止。在解决人在静止的船上从船头走到船尾问题时就用这些特征列式求解。

平抛运动是典型的匀变速曲线运动, 有关命题多但处理方法较固定, 可以分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动。模型成立条件:具有水平方向初速度, 认为只受重力作用。如果有些物理情景符合以下条件: (1) 受恒定合外力作用; (2) 初速度方向与合力方向垂直。我们就把这类问题称为类平抛运动, 如带电粒子在电场中的偏转, 解决方法就是进行正交分解。

四、临界条件模型

相关的一些物理量存在制约关系, 当物理现象变化到某一状态发生转折时就会出现临界现象, 确定临界状态是解决临界问题的关键。临界状态既有前一种状态的特点又有后一种运动状态的特点起承前启后的转折作用。临界问题中常有“刚好”、“恰好”、“最大值”、“最小值”等标记性词语。

竖直平面内圆周运动是典型的临界问题, 一般是变速圆周运动, 运动的速度大小和方向在不断发生变化, 运动过程复杂, 合外力不仅要改变运动方向, 还要改变速度大小, 所以一般不研究任意位置的情况, 只研究特殊的临界位置———最高点。

1.轻绳类。运动质点在一轻绳的作用下绕中心点作变速圆周运动。因为绳子只能提供拉力而不能提供支持力, 质点在最高点所受的合力不能为零, 合力的最小值是物体的重力。所以 (1) 质点过最高点的临界条件:质点达最高点时绳子的拉力刚好为零, 质点在最高点的向心力全部由质点的重力来提供。由mg=m/v02r最小速度叫临界速度。 (2) 质点能通过最高点的条件是 (3) 当质点的速度小于这一值时, 质点运动不到最高点做抛体运动。

2.轻杆类。 运动质点在一轻杆的作用下 , 绕中心点作变速圆周运动, 由于轻杆能对质点提供支持力和拉力, 所以质点过最高点时受的合力可以为零, 质点在最高点可以处于平衡状态。所以质点过最高点的最小速度为零: (1) 当v=0时, 轻杆对质点有竖直向上的支持力, 其大小等于质点的重力, 即mg=FN; (2) 当0<v<姨%gL时, 质点的重力大于其所需的向心力, 轻杆对质点的竖直向上的支持力, 支持力随速度的增大而减小; (3) 当v>姨%gL时, 质点的重力不足以提供向心力, 杆对质点有指向圆心的拉力, 且拉力随速度的增大而增大。