高中物理常用的理想化模型

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1672-1578（2013）06-0205-01

理想化模型就是抽象和虚构的结合，与讨论问题相关的、同现实客体相结合的、但又不具有现实客体的其他各种复杂性的理想客体。并以他们来代替现实客体而进行研究的一种科学方法。理想化方法是物理教学和研究的一种最基本也是最常用的一种方法，没有理想化就没有现代物理学，而客观世界的复杂性、多样性和统一性也需要理想化的观点。

在现实生活和学习中，实际问题往往是很复杂的，其中包含一些非本质的枝节，物理模型就是把实际问题理想化，先略去一些次要因素，而突出其主要因素，这样我们就可以得到一些简要的物理规律。

高中物理教学中理想化模型的应用十分广泛，无论是做为研究对象的物体、物体运动的变化、还是物体所处的环境和条件，都是以各种理想化的形式而出现的，它们都是从实际问题抽象出来的理想化的问题。所以我们在教学中应当对物理课本、习题、考试中所涉及到的理想化模型都应该有一个清晰的认识，理解为什么必须对这些问题进行这样或那样的理想化处理，在什么条件下这些理想化的处理才是最有效的。下面是高中物理教学中常见的几种理想化模型。

1.质点模型

在中学物理课本中，质点是这样定义的：在某些情况下，我们可以忽略物体的大小和形状，而突出"物体具有质量"这个要素，把它简化为一个有质量的物质点，这样的点称为质点；在另外一些情况下，我们虽然不能忽略物体的大小和形状，但是可以用其上任意一点的运动来代替整个物体的运动，于是整个物体的运动也可以简化为一个点的运动，把把物体的质量赋予这个点，它也就成了一个质点。也就是说，质点就是没有线度和形状而带有质量的点。但是任何物体都具有一定的大小和形状，由于这些特性的存在，我们就很难确定这些物体的位置和物体的运动。质点模型的建立就给我们解决这类问题带来了极大的方便。

2.刚体模型

在某些情况下，物体的体积、形状不可忽略，但这些情况物体的体积和形状的变化是可以忽略的。这类物体就可以抽象为刚体。所谓刚体，就是由相互间距离始终保持不变的许多质元组成的物体。在实际问题中， 物体能否看做是刚体要根据具体情况而定。如固体在通常的作用下形变很小，在讨论物体的转动或平衡问题时，一般都把物体当作刚体来进行研究处理，但在研究物体的应变或内部振动时，就不能将物体看做刚体来处理了。

3.理想气体模型

任何气体都不能严格的遵守气体实验定律（即玻意耳-马略特定律和查理定律），而且不同的气体在遵循气体实验定律的准确程度上也有所不同的偏差，这就给实际问题的解决带来了极大的困难。但是在压强不大、温度不太低的情况下，都近似地遵守气体实验定律，特别是压强趋于零时。而理想气体反映的就是气体的压强趋于零时的性质。但在客观世界中是根本不存在的。

4.弹性体与范性体物理模型

物体在力的作用下发生形变，若撤去外力后，形变随即消失并能恢复其原来的形状和尺寸的性质叫弹性，具有这样的性质的物体叫弹性体。如物理课本中所涉及到的弹性碰撞的物体、弹簧振子的弹簧等都可以视为弹性体。弹性体在发生弹性形变时遵循胡克定律。

与弹性体相对应的就是范性体。它是指材料在外力作用下超过其限度后继续形变而不断裂，但撤去外力后，任然有一部分形变不能恢复，此类物体就叫做范性体。

5.单摆模型

在中学物理课本中，给单摆的定义是：如果细线的质量与小球相比可以忽略；球的直径与线的长度相比也可以忽略，这样的装置就叫做单摆。实际中，既不存在不能伸长又没有质量的线，也不存在只有质量而无大小的质点。但在实际教学研究中，单摆线的伸长和质量是很微小的，是次要的，摆的大小也是可以不考虑的，并且忽略了介质的阻力。

还有，在单摆的周期公式中十分明显地可以看出，周期与摆角的大小无关，但是实际推导公式时，我们有一个前提条件就是摆角很小的情况下得到的。

6.完全弹性和完全非弹性碰撞模型

两个物体互相碰撞，可以分为碰撞过程的压缩阶段和碰撞过程的恢复阶段。在完全非弹性碰撞中，从两个物体互相接触开始，到两个物体速度相同（也就是发生最大形变时），这一过程结束后，由于组成物体的材料不同，其中有的物体形变后不再恢复，则出现相碰撞物体连在一起，以同一速度运动的情况，这就是完全非弹性碰撞过程模型。

如果碰撞的物体是弹性体，碰撞的物体形变达到最大后，物体在弹力作用下开始恢复到原来的形状，一直到完全分开。如果在压缩阶段转化为弹性势能的动能，在恢复阶段又全部转化为动能，这样的碰撞就是完全弹性碰撞过程模型。

而实际物体间的碰撞，都介于完全弹性碰撞与完全非弹性碰撞之间。因此，完全弹性碰撞和完全非弹性碰撞都是碰撞过程中的理想过程。

除此之外，还有理想热机模型、力线和场的物理模型等等，我们在教学中，特别是高考复习备考之中，就要引导学生利用所学知识、规律，通过阅读、观察、理解，提炼题目中所给的文字信息、符号信息、图形信息中的主要因素和本质特征，对它们进行迁移、分析，建立适当的物理模型，通过综合、简化等手段，形成合理的解决问题的结构和解答方式。在近年的高考物理试卷中，学生物理模型建立能力的考核已经成为多年来考查的主导，并且有加强的趋势。教师在教学中应循序渐进地启发引导学生，使学生逐步熟悉并掌握这种科学研究的思维方法，养成良好的思维品质，使构建物理模型的意识真正成为学生思考问题的方法与习惯。