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關于物理學中的理想化方法
論文關鍵詞 ：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 內在本質及規(guī)律的過程中形成的一種理論思維方法 。物理學中的很多概念、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 中所涉及的部分概念、定理 和定律為例 ，并結合多年來教學 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)現過程中的本質及規(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、本質的因素．舍棄其次要的、非本質的因素，變復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象 ，比較容 易地發(fā)現事物 的本質及變化規(guī)律 。物理學 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)現其中本質和規(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及規(guī)律采用逐步逼近的描述方法。例如 ，在電學 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 質的介 電常數，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和描述氣體的物理量 間的關 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 系統從而奠定 了氣體分子運動論 。在此基礎上進一步對氣體進行模型化：當分子 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，如果沒有質點的建立，便不會有牛頓定律和萬有引力定律。物理學中的物理模型非常多，如鐵磁性物質磁化模型、穩(wěn)恒 電流模型、原予核式結構模型 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，認為該系統只在碰撞物體 間內力的相互作用下發(fā)生的，其他力與內力相 比，均可以忽略不計。在此 條件 下 ，這 一系統 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 間相互作用的內力存屬彈力，這樣的形變就能完全恢復。顯然整個碰撞過程只存在動能和彈性勢能之間的相互轉化，因此碰撞前后系統動量守恒。力學中研究物體在光滑平面或無摩擦軌道上的運動過程，熱學中研究琿想氣體等質纂過程中能量的轉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，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實意義 。
物理學中的過程處處可見，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 學的近似 ， 也是 對實際過程進一步研究 的基礎 。對理想過 程的研究 ，很 容易發(fā)現 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。這種方法也普遍運用于其他領域。
3 物理實驗的理想化
物理 學是一門建立 在實驗基礎上的學科 ，物理概念的建立以及物理定理 、定律的發(fā)現，往往是 以實驗 事實作 為依據 的，已經建立起來的物理定理或理論 ，也必須經得起 非常 嚴格 的 科學 實驗 的檢 驗， 同時，它又指導實驗，并在新的實驗的基礎上逐步完善 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 ，是在真實的科學實驗的基礎上，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 ，指出客觀現象的過程之 間的 內在聯 系及其規(guī)律 ，并 由此得 出重 要結論 。
愛因斯坦就十分重視理想實驗的研究 ，他通過設想的閃電理想實驗 ，提 出了同時性的相對性概念。他設想當兩道閃電同時下擊一條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 同時下擊的 ，同時性的相對性概念是建立狹義相對論的一個關鍵。伽利略 的“平斜槽”理想實驗 ，一方面使人們對力和運動的關系的認識有 了劃時代的轉變 ，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．物理學史簡明教程．北京師范大學出版社 ，1986年 7月第一版．
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