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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(guò)程
論文摘要 ：理想化方法是人們?cè)谡J(rèn)識(shí)事物 、探索事物 內(nèi)在本質(zhì)及規(guī)律的過(guò)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(guò)對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行抽象概括，對(duì)研究過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化的條件下得 來(lái)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(lái)教學(xué) 中對(duì)他們的認(rèn)識(shí)和理解 ，針對(duì)物 理概念 如何模型化 、物理過(guò)程以及物理實(shí)驗(yàn)如何理 想化進(jìn)行闡述 ，這樣有助于對(duì)物理概念 、定理 和定律的進(jìn)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(guò)程中，往往由于過(guò)程的影響因素比較多，要發(fā)現(xiàn)過(guò)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(duì)整個(gè)過(guò)程或過(guò)程中的某一部分進(jìn)行假設(shè)而建立過(guò)程簡(jiǎn)單化的理想模型，目的是抓住問(wèn)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(shí)際過(guò)程為簡(jiǎn)單的理想化過(guò)程。這樣。我們就可以透過(guò)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(guò)這樣的方法建立起來(lái)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(guò)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(duì)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(shí) ，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(duì)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(huì)感到無(wú)從下手，也就無(wú)法得到最終的結(jié)果。在人類歷史發(fā)展過(guò)程 中，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(jì)．從而建立起 “點(diǎn)電荷的理想模型這樣 ．突出了對(duì)所研究問(wèn)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(duì)復(fù)雜問(wèn)題的研究。庫(kù)侖定律描述的就是兩個(gè)點(diǎn)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(shí)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(yùn)動(dòng)論 。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)氣體進(jìn)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(shí) ，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(méi)有 “點(diǎn)電荷”這個(gè)理想模型的建立，就沒(méi)有庫(kù) 侖定律 。沒(méi) 有氣體模型和理想氣體模型的建立，就沒(méi)有氣體狀態(tài)方程。同樣，如果沒(méi)有質(zhì)點(diǎn)的建立，便不會(huì)有牛頓定律和萬(wàn)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(shuō) ，物理的全部定理 、定律和公式都是對(duì)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(guò)程的理想化
自然界 中各種運(yùn)動(dòng)過(guò)程非常復(fù)雜 ，為了研 究問(wèn)題的方便 我們可以忽略次要因 素，突出物體運(yùn)動(dòng)的主蔡特征和規(guī)律，把運(yùn)動(dòng)過(guò)程想象為一種簡(jiǎn)單化的、實(shí)際上不存在但又經(jīng)得起實(shí)踐驗(yàn)證的運(yùn)動(dòng)過(guò)程 。
在研究物體的碰撞問(wèn)題時(shí)，認(rèn)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(jì)。在此 條件 下 ，這 一系統(tǒng) 遵循 動(dòng)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(guò)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?gòu)椓Γ@樣的形變就能完全恢復(fù)。顯然整個(gè)碰撞過(guò)程只存在動(dòng)能和彈性勢(shì)能之間的相互轉(zhuǎn)化，因此碰撞前后系統(tǒng)動(dòng)量守恒。力學(xué)中研究物體在光滑平面或無(wú)摩擦軌道上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，熱學(xué)中研究琿想氣體等質(zhì)纂過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)換等都采用的是理想化過(guò)程。所謂等容、等壓、等溫及絕熱過(guò)程也是理想化過(guò)程。
同樣在研究地球表面上物體的下落運(yùn)動(dòng)時(shí) ，往往被視為 自由落體運(yùn)動(dòng) ，那是 因 為在 落體 運(yùn)動(dòng)過(guò)程 中忽 略了空氣 阻力、重力隨高度變化 等因素 ，認(rèn)識(shí)物體 只在恒定的重力作用下的下落過(guò)程 。顯然，滿足自由落體運(yùn)動(dòng)條件的物體在自然界中無(wú)法實(shí)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(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)處理，所以自由落體理想過(guò)程的建立有著重要的現(xiàn)實(shí)意義 。
物理學(xué)中的過(guò)程處處可見，如所有運(yùn)用機(jī)械能守恒定律處理的運(yùn)動(dòng)過(guò)程、勻速直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程、原予核的衰變過(guò)程等等。理想過(guò)程是 對(duì)實(shí)際過(guò)程 的一種科 學(xué)的近似 ， 也是 對(duì)實(shí)際過(guò)程進(jìn)一步研究 的基礎(chǔ) 。對(duì)理想過(guò) 程的研究 ，很 容易發(fā)現(xiàn) 實(shí)際過(guò)程 中所包含的規(guī)律 ，能更準(zhǔn)確更深 刻的抓住 問(wèn)題的實(shí)質(zhì)。這種方法也普遍運(yùn)用于其他領(lǐng)域。
3 物理實(shí)驗(yàn)的理想化
物理 學(xué)是一門建立 在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn) 事實(shí)作 為依據(jù) 的，已經(jīng)建立起來(lái)的物理定理或理論 ，也必須經(jīng)得起 非常 嚴(yán)格 的 科學(xué) 實(shí)驗(yàn) 的檢 驗(yàn)， 同時(shí)，它又指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，并在新的實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上逐步完善 理論。
理想 實(shí)驗(yàn)是一種假想 的實(shí)驗(yàn) ，是人們?cè)谒枷胍庾R(shí)中塑造的一種理想過(guò)程 ，但它是一種邏輯 推理的思維過(guò)程和理論研究的重要方法。它不是 脫離 實(shí)際的主觀 意想 ，因?yàn)槔硐雽?shí)驗(yàn)是以實(shí)踐為基礎(chǔ) ，是在真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，抓住主要 因素 ，排除次要因素 ，對(duì)實(shí)際過(guò)程作 出更深層次的抽象分析 ，指出客觀現(xiàn)象的過(guò)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(ài)因斯坦就十分重視理想實(shí)驗(yàn)的研究 ，他通過(guò)設(shè)想的閃電理想實(shí)驗(yàn) ，提 出了同時(shí)性的相對(duì)性概念。他設(shè)想當(dāng)兩道閃電同時(shí)下?lián)粢粭l東西方向的鐵路軌道時(shí) ，對(duì)站在兩道閃電 中的觀察者來(lái)說(shuō) ，這兩道閃 電是 同時(shí)發(fā)生的 ，但是對(duì)于乘坐一列 由東 向西高速行駛的火車上的觀察者來(lái)說(shuō)，這兩道 閃電不是 同時(shí)下?lián)舻?，同時(shí)性的相對(duì)性概念是建立狹義相對(duì)論的一個(gè)關(guān)鍵。伽利略 的“平斜槽”理想實(shí)驗(yàn) ，一方面使人們對(duì)力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系的認(rèn)識(shí)有 了劃時(shí)代的轉(zhuǎn)變 ，闡明物體的運(yùn)動(dòng)并不需要外力來(lái)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(yùn)動(dòng)是勻加速直線運(yùn)動(dòng)。而慣性定律是無(wú)法用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的 ，很多的 自由落體運(yùn)動(dòng)也不便通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而采 用理想 實(shí)驗(yàn)來(lái)論證 ，人們可以深信 不疑。 人類歷史的長(zhǎng)河中的大量實(shí)踐已證實(shí)了理想化方法的合理性 ，并在科學(xué)研究中已成為一種獨(dú)特的、無(wú)法替代的理論思維方法。
參考文獻(xiàn)
【1】陳毓芳，鄒延肅．物理學(xué)史簡(jiǎn)明教程．北京師范大學(xué)出版社 ，1986年 7月第一版．
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