關(guān)于物理學(xué)中的理想化方法

　　論文關(guān)鍵詞 ：模型化  理想化  理解過程
　　論文摘要 ：理想化方法是人們在認識事物 、探索事物 內(nèi)在本質(zhì)及規(guī)律的過程中形成的一種理論思維方法 。物理學(xué)中的很多概念、定理和定律 的形成 ，都是在通過對研究對象進行抽象概括，對研究過程進行簡化的條件下得 來的。本文以物理學(xué) 中所涉及的部分概念、定理 和定律為例 ，并結(jié)合多年來教學(xué) 中對他們的認識和理解 ，針對物 理概念 如何模型化 、物理過程以及物理實驗如何理 想化進行闡述 ，這樣有助于對物理概念 、定理 和定律的進一步理 解 ，也是研究和探索 其他事物的一種很好 的手段。 
　　在研究物理過程中，往往由于過程的影響因素比較多，要發(fā)現(xiàn)過程中的本質(zhì)及規(guī)律不容易的，或者是不可能的．因此我們需要對整個過程或過程中的某一部分進行假設(shè)而建立過程簡單化的理想模型，目的是抓住問題的主要的、本質(zhì)的因素．舍棄其次要的、非本質(zhì)的因素，變復(fù)雜條件的實際過程為簡單的理想化過程。這樣。我們就可以透過事物的表面現(xiàn)象 ，比較容 易地發(fā)現(xiàn)事物 的本質(zhì)及變化規(guī)律 。物理學(xué) 中的許 多物理概念和物理定理 、定律就是通過這樣的方法建立起來的。所以，理想化方法是物理研究中廣泛采用的理論思維方法之一 。 
　　1 物理研究中的模型化 
　　模型化指的是在研究和探索事物的過程中為了便于發(fā)現(xiàn)其中本質(zhì)和規(guī)律而建立的一種抽象的，理想的事物形態(tài)是對某些事物中所包含的本質(zhì)及規(guī)律采用逐步逼近的描述方法。例如 ，在電學(xué) 中研究 電荷間的相互作用 時 ，其作用 力的大 小受帶 電體的形狀、大 小、所帶 電荷量的 多少 、電荷的分布、電荷之間的相對位置及介質(zhì)等諸多因素的影 響，若不分主次的考慮各種因素，會感到無從下手，也就無法得到最終的結(jié)果。在人類歷史發(fā)展過程 中，通過大量實驗表明：隨著電荷間距離的增大，帶電體的形狀、大小、電荷的分布等因素的影響逐漸減小，距離增加到一定程度時，起決定作用的就 是電荷的電量和介 質(zhì)的介 電常數(shù)，其形狀 大小、電荷的分布可忽略不計．從而建立起 “點電荷的理想模型這樣 ．突出了對所研究問題起主要的因素忽略次要的因素，建立 “理想模型”，有效的解決了對復(fù)雜問題的研究。庫侖定律描述的就是兩個點電荷之 間的相互作用規(guī)律在研究氣體的性質(zhì)和描述氣體的物理量 間的關(guān) 系中，麥克思韋建立了氣體模型 ：氣體是由很小的 、完全彈性的、只在接觸時才發(fā)生相互作 用的固體小球組 成的 系統(tǒng)從而奠定 了氣體分子運動論 。在此基礎(chǔ)上進一步對氣體進行模型化：當(dāng)分子 間的距離接近十倍或 大于十倍分子直徑時 ，就可以忽略分子之 間的相互作用 力，從而建立了理想氣體模型。這樣就比較容 易得 出描述氣體的物理量間的關(guān)系一一氣體狀態(tài)方程 。顯然，如果沒有 “點電荷”這個理想模型的建立，就沒有庫 侖定律 。沒 有氣體模型和理想氣體模型的建立，就沒有氣體狀態(tài)方程。同樣，如果沒有質(zhì)點的建立，便不會有牛頓定律和萬有引力定律。物理學(xué)中的物理模型非常多，如鐵磁性物質(zhì)磁化模型、穩(wěn)恒 電流模型、原予核式結(jié)構(gòu)模型 等等�？� 以說 ，物理的全部定理 、定律和公式都是對物理模型的刻畫。物理模型化是物理學(xué)研究普遍采用的方法，是建立和發(fā)展物理理論的重要手段  離開物理模型，物理學(xué)的研究就寸步難行 。

　　2 物理過程的理想化 
　　自然界 中各種運動過程非常復(fù)雜 ，為了研 究問題的方便  我們可以忽略次要因 素，突出物體運動的主蔡特征和規(guī)律，把運動過程想象為一種簡單化的、實際上不存在但又經(jīng)得起實踐驗證的運動過程 。 
　　在研究物體的碰撞問題時，認為該系統(tǒng)只在碰撞物體 間內(nèi)力的相互作用下發(fā)生的，其他力與內(nèi)力相 比，均可以忽略不計。在此 條件 下 ，這 一系統(tǒng) 遵循 動量 守恒 定律。而完全彈性碰撞規(guī)律又是建立在理想碰撞 的這一理論過程的基礎(chǔ)之上，只要相互的物體 所受合外 力為零 ，而且物體 間相互作用的內(nèi)力存屬彈力，這樣的形變就能完全恢復(fù)。顯然整個碰撞過程只存在動能和彈性勢能之間的相互轉(zhuǎn)化，因此碰撞前后系統(tǒng)動量守恒。力學(xué)中研究物體在光滑平面或無摩擦軌道上的運動過程，熱學(xué)中研究琿想氣體等質(zhì)纂過程中能量的轉(zhuǎn)換等都采用的是理想化過程。所謂等容、等壓、等溫及絕熱過程也是理想化過程。 
　　同樣在研究地球表面上物體的下落運動時 ，往往被視為 自由落體運動 ，那是 因 為在 落體 運動過程 中忽 略了空氣 阻力、重力隨高度變化 等因素 ，認識物體 只在恒定的重力作用下的下落過程 。顯然，滿足自由落體運動條件的物體在自然界中無法實現(xiàn)，但在許多情況下，物體的下落很接近自由落體 ，完全可以用 自由落體運動規(guī)律來處理，所以自由落體理想過程的建立有著重要的現(xiàn)實意義 。 
　　物理學(xué)中的過程處處可見，如所有運用機械能守恒定律處理的運動過程、勻速直線運動過程、原予核的衰變過程等等。理想過程是 對實際過程 的一種科 學(xué)的近似 ， 也是 對實際過程進一步研究 的基礎(chǔ) 。對理想過 程的研究 ，很 容易發(fā)現(xiàn) 實際過程 中所包含的規(guī)律 ，能更準確更深 刻的抓住 問題的實質(zhì)。這種方法也普遍運用于其他領(lǐng)域。
　　3 物理實驗的理想化 
　　物理 學(xué)是一門建立 在實驗基礎(chǔ)上的學(xué)科 ，物理概念的建立以及物理定理 、定律的發(fā)現(xiàn)，往往是 以實驗 事實作 為依據(jù) 的，已經(jīng)建立起來的物理定理或理論 ，也必須經(jīng)得起 非常 嚴格 的 科學(xué) 實驗 的檢 驗， 同時，它又指導(dǎo)實驗，并在新的實驗的基礎(chǔ)上逐步完善 理論。 
　　理想 實驗是一種假想 的實驗 ，是人們在思想意識中塑造的一種理想過程 ，但它是一種邏輯 推理的思維過程和理論研究的重要方法。它不是 脫離 實際的主觀 意想 ，因為理想實驗是以實踐為基礎(chǔ) ，是在真實的科學(xué)實驗的基礎(chǔ)上，抓住主要 因素 ，排除次要因素 ，對實際過程作 出更深層次的抽象分析 ，指出客觀現(xiàn)象的過程之 間的 內(nèi)在聯(lián) 系及其規(guī)律 ，并 由此得 出重 要結(jié)論 。
　　愛因斯坦就十分重視理想實驗的研究 ，他通過設(shè)想的閃電理想實驗 ，提 出了同時性的相對性概念。他設(shè)想當(dāng)兩道閃電同時下?lián)粢粭l東西方向的鐵路軌道時 ，對站在兩道閃電 中的觀察者來說 ，這兩道閃 電是 同時發(fā)生的 ，但是對于乘坐一列 由東 向西高速行駛的火車上的觀察者來說，這兩道 閃電不是 同時下?lián)舻?，同時性的相對性概念是建立狹義相對論的一個關(guān)鍵。伽利略 的“平斜槽”理想實驗 ，一方面使人們對力和運動的關(guān)系的認識有 了劃時代的轉(zhuǎn)變 ，闡明物體的運動并不需要外力來維持，既奠定 了牛頓第一定律的建立 ，另一方面又論證 了自由落體運動是勻加速直線運動。而慣性定律是無法用實驗驗證的 ，很多的 自由落體運動也不便通過實驗驗證，而采 用理想 實驗來論證 ，人們可以深信 不疑。 人類歷史的長河中的大量實踐已證實了理想化方法的合理性 ，并在科學(xué)研究中已成為一種獨特的、無法替代的理論思維方法。

　　參考文獻 
　　【1】陳毓芳，鄒延肅．物理學(xué)史簡明教程．北京師范大學(xué)出版社 ，1986年 7月第一版．

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