关于物理学中的理想化方法

论文关键词：模型化理想化理解过程
　　
　　论文摘要：理想化方法是人们在认识事物、探索事物内在本质及规律的过程中形成的一种理论思维方法。物理学中的很多概念、定理和定律的形成，都是在通过对研究对象进行抽象概括，对研究过程进行简化的条件下得来的。本文以物理学中所涉及的部分概念、定理和定律为例，并结合多年来教学中对他们的认识和理解，针对物理概念如何模型化、物理过程以及物理实验如何理想化进行阐述，这样有助于对物理概念、定理和定律的进一步理解，也是研究和探索其他事物的一种很好的手段。
　　
　　在研究物理过程中，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。
　　
　　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过程中为了便于发现其中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，在电学中研究电荷间的相互作用时，其作用力的大小受带电体的形状、大小、所带电荷量的多少、电荷的分布、电荷之间的相对位置及介质等诸多因素的影响，若不分主次的考虑各种因素，会感到无从下手，也就无法得到最终的结果。在人类历史发展过程中，通过大量实验表明：随着电荷间距离的增大，带电体的形状、大小、电荷的分布等因素的影响逐渐减小，距离增加到一定程度时，起决定作用的就是电荷的电量和介质的介电常数，其形状大小、电荷的分布可忽略不计．从而建立起“点电荷的理想模型这样．突出了对所研究问题起主要的因素忽略次要的因素，建立“理想模型”，有效的解决了对复杂问题的研究。库仑定律描述的就是两个点电荷之间的相互作用规律在研究气体的性质和描述气体的物理量间的关系中，麦克思韦建立了气体模型：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。这样就比较容易得出描述气体的物理量间的关系一一气体状态方程。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、原予核式结构模型等等。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。
　　
　　2物理过程的理想化
　　
　　自然界中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，突出物体运动的主蔡特征和规律，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。力学中研究物体在光滑平面或无摩擦轨道上的运动过程，热学中研究珲想气体等质纂过程中能量的转换等都采用的是理想化过程。所谓等容、等压、等温及绝热过程也是理想化过程。
　　
　　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。
　　
　　物理学中的过程处处可见，如所有运用机械能守恒定律处理的运动过程、匀速直线运动过程、原予核的衰变过程等等。理想过程是对实际过程的一种科学的近似，也是对实际过程进一步研究的基础。对理想过程的研究，很容易发现实际过程中所包含的规律，能更准确更深刻的抓住问题的实质。这种方法也普遍运用于其他领域。
　　
　　3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意想，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。伽利略的“平斜槽”理想实验，一方面使人们对力和运动的关系的认识有了划时代的转变，阐明物体的运动并不需要外力来维持，既奠定了牛顿第一定律的建立，另一方面又论证了自由落体运动是匀加速直线运动。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。