摘 要： 構建理想化模型是處理物理問題常用的方法。在處理實際問題的過程中，使構建模型最接近于實際效果，是處理問題的關鍵。通過習題分析，了解構建模型的具體思路和方法，能起到事半功倍的作用。
　　關鍵詞： 物理教學 理想化模型 模型方法 應用
　　
　　縱觀物理學發(fā)展的歷史，建立理想化模型，是簡化物理學研究的重要手段。隨著物理學的發(fā)展，物理模型越來越受到人們的重視，它促進了物理規(guī)律、理論的發(fā)展，推動了物理學向新的領域擴展。
　　一、理想化模型
　　它是根據(jù)所研究的物理問題的需要，從客觀存在的事物中抽象出來的一種簡單、近似、直觀的模型。具體地說，是對事物的各個物理因素加以分析，忽略與問題無關或影響較小的因素，突出對問題起作用較大的主要因素，從而把問題簡化，這一理想的抽象模型就是理想化模型。
　　1.理想化模型的特征
　　理想化模型主要具有4個特征:近似性、抽象性、局限性和相對性。模型的近似性主要表現(xiàn)在任一理想化模型都是以一定的客觀實體為基礎，它反映了事物的主要性質。模型與實體不同，它在實際生活中不存在，這又表現(xiàn)了它的抽象性。任何理想化模型都是在一定的條件下建立起來的，離開了這一條件這一模型就不能使用。這就是理想化模型的局限性。某個事物在不同的情況下，如同一物體在這個問題中可視為質點。而在另一問題中則不能作質點處理，這就是理想化模型的相對性。
　　2.建立理想化模型的原則
　　建立理想化模型的一般原則是首先突出問題的主要因素，忽略問題的次要因素。物理學是一門自然學科，它所研究的對象、問題往往比較復雜，受諸多因素的影響，有的是主要因素，有的是次要因素。為了使物理問題簡單化，也為了便于研究分析，我們往往把研究的對象、問題簡化，忽略次要的因素，抓住主要的因素，建立理想化的模型。例如研究列車從西寧開往北京的運行時間這類問題，由于列車的長度比西寧到北京的距離小得多，這時我們可以不考慮列車的長度，把列車看作質點，即質點的實際物體的一種抽象，是理想化的物理模型。其次，理想化的模型要根據(jù)所研究問題的需要而定，并不是不變的，把一個實際問題抽象為什么樣的模型，要具體問題具體分析，即使同一研究對象，在不同的研究中也可能需要抽象成不同的模型。例如研究列車從西寧開往北京的運行時間這類問題可把列車看作質點來處理，但研究列車通過一座橋所需時間的問題，列車的長度就不能忽略，列車就不能看作質點。因此，解決物理問題選擇模型時，要綜合考慮所研究問題的目的、性質等，再作出選擇，不能隨意地把對象、條件、過程歸入某一種模型，應根據(jù)具體問題選擇理想化的模型。
　　二、理想化模型的作用
　　1.推動物理學發(fā)展
　　由于受人們認識水平和時代科技水平的限制，理想化模型不可能全面地反映原型，因此如果提出的理想化模型不能說明新觀察到的現(xiàn)象，或與新的實驗事實有矛盾，就需要對這個理想化模型進行補充、修正甚至否定，提出新的理想化模型，再由實驗檢驗。在這一發(fā)展過程中，理想化模型對原型的近似程度會得到提高。
　　創(chuàng)建物理學離不開建立物理理想化模型的例子在物理學史上比比皆是。在力學中，牛頓提出了萬有引力理論便是一個著名的例證。牛頓一方面運用了開普勒的行星運動的太陽系模型，另一方面借助數(shù)學方法證明了“一個球體吸引外邊物體時，它們的質量就好像集中在它們各自的中心一樣；太陽系中的所有星球可視為有質量而無形狀與大小的質點”。據(jù)此，牛頓建立了質點模型，把宇宙萬物視為質點，從而首先發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。理想化模型是在物理學的發(fā)展過程中逐漸建立的。
　　如1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，鑒于原子呈電中性，他提出了原子的“棗糕”模型。這個模型能解釋一些實驗事實，但沒過幾年就被新的實驗事實否定了。1909年盧瑟福及蓋革等人做的α粒子散射實驗，其結果根本無法用湯姆遜模型解釋。1911年盧瑟福為解釋α粒子散射實驗的結果，提出了原子的核式結構模型。這個模型很好地解釋了α粒子的散射實驗，初步建立了原子的結構的正確圖景。建立核式模型，雖然只是科學家建立理想化模型的一個例子，但它反映了建立理想化模型的一般方法。實驗觀察是建立理想化模型的基礎，抽象分析和形象想象是建立理想化模型的基本手段，觀察、分析、抽象、想象是建立理想化模型的一般方法和過程。
　　2.促進物理教學
　　物理模型的提出與發(fā)展揭示了物理概念的進化與形成;所以模型方法也就成為理解物理概念的基本思路。如物理學中的專用或通用名詞“物質”或“物體”是沒有形態(tài)和大小的是各種物質或物體的抽象，可視為物理學的語言模型。電學中的庫侖定律只適用于真空中的點電荷模型。幾何光學反射、折射定律則是因為建立了“光線”“點光源”“平滑的反射面，折射面”這些光學模型后方才得出的，等等。解答物理習題亦可以說是應用模型方法的過程?；舅悸反篌w如下:分析題意，確定對象的理想化模型，察看對象所處環(huán)境，確定過程的理想化模型，然后將物理模型轉換為相應的數(shù)學模型，推出結果?，F(xiàn)舉一例說明模型方法在解題中應用。
　　例：一個用輕長繩懸在空中的木塊，質量為m，以v從水平方向向木塊中射入子彈，子彈質量為m，然后木塊與子彈一起擺動。求木塊上升的最大高度?
　　解：選子彈與木塊為研究對象，忽略子彈轉動，建立質點系統(tǒng)模型，因子彈射入物體的過程時間極短?？梢哉J為輕長繩與豎直方向夾角為零。系統(tǒng)所受合力為零，可確定系統(tǒng)為完全非彈性碰撞過程模型，動量守恒，故有mv=(m+M)v′。又系統(tǒng)獲得速度v′過程極短，它們位移微小到可以忽略，故可以認為系統(tǒng)雖已具有了速度v′，但還處于平衡位置。此后選取子彈、木塊和輕繩為研究對象，忽略繩質量和空氣阻力，系統(tǒng)向上擺動，只有重力做總之，通過對理想化模型的建立、特征及其在物理學中的作用等幾個問題的討論，可以知道這種方法對于整個物理學的研究和發(fā)展起了重要的促進作用，并將在未來的物理學領域內繼續(xù)起到應有的作用。
　　三、理想化模型的構建
　　1.構建理想的物理模型是科學理論的依據(jù)
　　縱觀物理學發(fā)展史，許多重大的發(fā)現(xiàn)與結論都是由科學家們經(jīng)過大膽猜想構思，創(chuàng)建出科學的理想化的物理模型，并通過實驗檢驗或實驗驗證，模型和實際情況很好吻合的前提下獲得的。
　　伽利略讓小球從彎曲的斜槽上自由下落，當斜槽絕對光滑時，小球可沿斜槽的另一端上升到初始高度，如果另端斜槽末端越接近水平，小球為達到相同高度，會運動很遠。若末端完全水平，則小球會一直運動下去，永不停止，正因為伽利略構建了光滑這一理想模型，才有慣性定律的重大發(fā)現(xiàn)。
　　1852年，法拉第對帶電體、磁體周圍空間存在的物質，設想出電場線、磁感線一類場線的模型，并用鐵粉顯示了磁棒周圍磁感線的分布形狀，從而建立了場的概念，對當前的傳統(tǒng)的觀念是一個重大的突破。
　　1905年，愛因斯坦受普朗克量子假設的啟發(fā)，大膽地建立了量子模型，并提出了著名的愛因斯坦光電效應方程，圓滿地解釋了光電效應現(xiàn)象。
　　盧瑟福以特有的洞察力和直覺，抓住粒子轟擊金箔有大角度偏轉這一反常現(xiàn)象，從原子內存在強電場的思想出發(fā)，于1911年構思出原子的核式結構模型。
　　倘若離開了物理模型，不僅物理研究無法進行，而且對物理學科的縱向發(fā)展必然起阻礙束縛的作用。
　　2.在中學物理中應用的理想化模型
　　一是將物質形態(tài)自身理想化，如質點，理想氣體，點電荷，勻強電場，勻強磁場，等等；二是將所處的條件理想化，如光滑，絕熱，等等；三是將結構理想化，如分子電流，原子模式結構，磁力線，電力線，等等；四是將運動變化過程理想化，如勻速直線運動，勻速圓周運動，等溫、等壓過程，拋體運動，簡諧振動，穩(wěn)恒電流，等等；五是將物理實驗理想化，包括實驗條件理想化，實驗器材理想化，等等。用理想化方法建立起來的物理模型，是對物理原型在理想化狀況下所遵循的基本規(guī)律的反映，而在現(xiàn)實的物理問題中，這些相應的理想狀況并不存在，但這并不影響理想模型在實際物理問題中的引用，因為有很多的實際的物理現(xiàn)象在一定的條件下，或在一定的范圍內近似理想狀況，由相應的理想模型所得的結論也是非常準確的。比如由理想氣體模型所得到的理想氣體狀態(tài)方程在常溫常壓下是完全適用的。
　　3.教學過程中重視對學生建模意識的培養(yǎng)
　　理想的物理模型，既是物理科學體系中的光輝典范，又是解決現(xiàn)實物理問題不可或缺的依據(jù)，其重要性不言而喻。所以，教師在傳授知識的過程中應向學生強調基本物理模型建立的過程和條件，并要求學生牢牢掌握這些基本模型，并且在具體應用解決物理問題時，引導學生如何根據(jù)題設條件，從物理規(guī)律出發(fā)，通過分析、綜合、類比等，突出對問題起主要作用的因素，略去非本質的次要因素，使思維從紛繁復雜的具體問題中抽象、構造出我們熟悉的物理模型，然后應用掌握的相關知識予以解決。當然，學生的這種能力并非一朝一夕就能培養(yǎng)出來的，教師需要把這種建模意識貫穿在教學的始終，并循序漸進地啟發(fā)引導學生，使學生逐步熟悉并掌握這種科學研究的思維方法，養(yǎng)成良好的思維品質，使構建物理模型的意識真正成為學生思考問題的方法與習慣。
　　
　　參考文獻：
　　［１］閻金鐸，田世昆.中學物理教學概論.高等教育出版社.
　　［２］馬文蔚.物理學發(fā)展史上的里程碑.江蘇科學技術出版社.
　　注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文