高中物理教学中理想化方法的培养策略

鲁世明

(江苏省姜堰中学,江苏 泰州 225500)

科学方法是物理学发展中的灵魂,学习物理必须学会物理学的基本科学方法;科学方法还是从必备知识学习到关键能力发展之间的中间环节,是沟通必备知识和关键能力的桥梁.物理学科核心素养特别强调了科学方法的重要性.理想化方法是物理学研究中最常用、最基本的科学方法之一,对提高学生的能力和核心素养的发展有重要指导意义.因此,高中物理教师在教学中要特别重视对学生进行理想化方法的培养指导.

1 理想化方法的内涵

理想化方法,是科学抽象的一种特定形式,是人们运用理性思维的方式之一.物理学所研究的各种事物及现象都是很复杂的,往往是各种因素都交织在一起,要全面毫无舍弃地考虑各个因素的存在,就会使我们处理物理问题寸步难行.为了找到研究问题的思路和简化程序,就需要在一定场合、一定条件下把现存的实际事物当作理想形态处理,对复杂的实体或实体过程进行思维加工,给予简化、纯化,抓住主要矛盾,舍去次要因素,揭示必然联系.所谓理想化方法就是在科学思维中,用理想的客体代替现实的客体,按照一定的逻辑规则,通过设想、推导、论证揭示事物本质的科学思维方法.

2 理想化方法的类型

在物理学研究中,理想化方法有以下3种类型： 理想物理条件,理想物理模型,理想物理实验.

2.1 理想物理条件

在实际物理问题中,研究对象往往处于多种条件之中,但对研究的问题来说,并不是所有的条件都起同样的重要作用.为了研究问题的方便,抓住主要条件,完全忽略其他次要条件的影响,形成理想物理条件.例如,自由落体运动是忽略空气的摩擦力等次要条件,在研究的过程中抓住物体仅受到恒定重力的理想物理条件;研究微观粒子如质子、电子、离子在电磁场中的运动时忽略重力场,形成粒子仅受到电磁场力的理想物理条件;再如光滑平面、轻杆、轻绳、均匀介质、匀强电场等都属于理想物理条件.

2.2 理想物理模型

理想物理模型是以客观存在的事物为原型,抓住实际客体最具本质的特征,在思维中形成一种高度抽象的代替原型的理想客体,建立描述这种客体本质属性的纯化模型.理想物理模型分为理想实体模型、理想过程模型、理想状态模型3类.

(1) 理想实体模型.

用来代替由具体物质组成的、代表研究对象实体系统的模型叫作理想实体模型.理想实体模型是指理想化的研究对象,如质点、点电荷、点光源、单摆、理想气体、理想流体、理想变压器、薄透镜、绝对黑体、原子模型等都属于理想实体模型.

(2) 理想过程模型.

把具体物理过程进行纯粹化、理想化,抓住主要的因素所抽象出来的物理过程叫理想过程模型.如自由落体运动、匀变速直线运动、匀速圆周运动、简谐运动、单摆运动、弹性碰撞、等温过程、绝热过程、光的直线传播等都属于理想过程模型.

(3) 理想状态模型.

实际物理状态非常复杂,把实际物理状态理想化,进行抽象,形成理想化物理状态叫作理想状态模型,如流体的稳定流动、层流、似稳静电场、动态平衡等模型都属于理想状态模型.

2.3 理想物理实验

理想物理实验也叫臆想实验、假想实验、思想实验,它是人们在物理实践中遇到某些无法解决的问题时,在真实的科学实验的基础上,抓住主要矛盾,忽略次要因素,根据逻辑法则由大脑构想出来的一种无法实现的实验.理想物理实验是一种形象思维与抽象思维相互作用的思维过程,是科学抽象的产物,由于理想物理实验存在着它的客观根据,即理想实验的实践基础,故能得出合乎逻辑的结论,从而在物理学的理论研究中起着重要作用.如伽利略的拴在一起的轻重不同的两物体下落的归谬理想实验及理想斜面实验、牛顿的山顶平抛成为卫星的理想实验等都属于理想物理实验.

3 高中物理教学中理想化方法的培养策略

物理教学中实施理想化方法的培养教育,可以帮助学生更有效地理解物理概念,掌握物理规律,形成物理观念,解决物理问题.高中物理教学中理想化方法的培养主要有以下几种策略.

3.1 物理观念教学中渗透理想化方法

通过物理观念教学渗透科学方法是物理科学方法教育的根本方式和首要途径.在物理教学中,进行理想化方法的教育,不能脱离物理概念和物理规律,有些物理定律的建立和阐述本身就包含着物理学家所使用的理想化方法.在高中物理教学中,抓住物理观念和理想化方法的结合点,让学生体会到掌握理想化方法的意义,是通过物理观念教学渗透理想化方法教育的关键,是促进学生主动学习并掌握理想化方法的保证.例如,“牛顿第一定律”的教学,学生已经具备的观念是：在水平面运动的物体,在摩擦力的作用下,会运动一段距离最终停下来.为了引入理想化方法,可以设计做这样的实验：让滑块从同一斜面的同一高度滑到表面粗糙程度不同的水平木板上(木板上分别铺绸布、毛巾等),发现水平木板越光滑,滑块滑得越远.在这一可靠事实的基础上,利用理想化方法,推理出假如木板绝对光滑,滑块将做匀速直线运动.这种设计就是寓理想化方法教育于物理观念教学之中.

3.2 物理学史理想实验案例剖析中体会理想化方法

物理学的发展史也是一部科学方法的发展史,物理学史能够为物理科学方法教育提供丰富多彩的材料.剖析物理学史理想实验案例可以使学生更全面、系统地领略到科学家的理想化科学思维方法,体会物理学史上理想物理实验在建立物理学理论的过程中发挥着重要的作用,可以引起学生对物理科学方法的兴趣,激发学生探究、创新的欲望.例如,伽利略在研究物体的惯性运动时, 他是用理想实验进行论述的： 如图1所示的光滑的圆弧形轨道, 一个小球从A点沿轨道下滑然后再滑上对接轨道, 它是可以到达相同的高度,如图1(甲)所示.然后伽利略把对接的轨道改变形状, 使得轨道的坡度越来、越小, 而小球仍然要滑上相等的高度, 那么小球的路程势必越来越长,如图1(乙)所示;伽利略进一步推想, 当这个对接的轨道变成一个坡度无限小的轨道( 即水平轨道) 的时候,如图1(丙)所示,由于小球要滑上相等的高度, 就必然导致小球在水平的轨道上永远滑下去, 即小球不会停止运动, 从而证明, 小球就能维持原来的运动而不需要力来维持.牛顿在思索万有引力问题时也设计了一个著名的理想实验：抛体运动实验.一块石头投出, 由于重力作用平抛最终落在地面.推想：投掷的速度越大, 它落地前走得越远.进一步理想化推想：我们可以假设当速度增到足够大,直到最后超出了地球的限度, 进入空间永不触及地球而成为卫星.这个实验在当时的物质条件下是无论如何不能实现的,牛顿在真实的抛体运动的基础上, 发挥思维的力量把抛体的速度推到地球引力范围之外.同样爱因斯坦在创设狭义相对论和广义相对论时, 也大量使用了理想实验的方法.麦克斯韦1871年提出的“麦克斯韦妖”的理想物理实验进一步证明了热力学第二定律的正确性,并且推动了信息科学和生命科学的发展.对学生进行物理学史教育时,不仅要学生了解物理学发展过程中用到的理想化方法,还要学生能够熟练掌握和应用,发展学生科学思维能力和创造能力.

图1 伽利略理想实验

3.3 理想物理模型的建构中领悟理想化方法

对理想物理模型的建构,要指导学生领悟到以下两点：一方面要让学生明确理想物理模型的概念、特点和目的.如质点,概念是有质量的几何点;特点是有质量、无尺寸,假想虚构的;目的是用它代替现实中的实际物体,使问题难度降低和容易表述.对于学生,某一理想模型定义的本身并不重要,而明确引入它的目的却十分重要,那就是简化、快捷、突出本质.如无内阻的理想电源、理想气体、光滑表面、点电荷、磁感线等等,在教学的应用中要经常让学生体会和感受它的目的性,更要让学生知道,这种思维方法是简洁的、高明的.另一方面,要引导学生正确理解理想物理模型的适用范围.理想化方法具有较大的灵活性, 每种模型也有限定的运用条件和适用范围, 把一个实际问题抽象成什么样的模型,要具体问题具体分析,即使是同一客体, 在不同的研究中也可能需要抽象成不同的模型.如研究地球公转时可以把地球视为质点;可是研究地球的自转时, 却不能把地球当作质点.而在静电平衡中,地球被看成带电的球体.再如理想气体是实际气体在一定程度上的理想化模型,只有在压强不太大、温度不太低的条件下才可把实际气体看作理想气体来处理.因此,在物理教学中应引导学生对具体问题具体分析,在理想物理模型的建构中领悟理想化方法.

3.4 物理科学探究中体验理想化方法

科学探究是新课程改革中的一大亮点,所提倡的探究学习就是一种融科学知识、科学方法于一身,鼓励并促进学生积极提出问题和探究解决方案的一种教育方式.科学探究包括7个要素：提出问题→猜想或假设→制定计划与设计实验→进行实验与收集证据→分析与论证→评估→交流与合作.科学探究过程蕴含着丰富的理想化方法知识,科学探究在理想化方法教育上具有独特的优势,尤其新教材中设置了不少的探究实验,可以让学生体验探究的过程中体验理想化方法,能够培养学生探索精神、实践能力以及创新意识,从而提高他们的科学素质.例如,在“探究加速度与外力、质量的关系”实验探究中,研究加速度a与F之间的关系时,也采用了理想方法来处理实验.近似认为挂在小车上的砝码的重力就是小车所受到的拉力.其实这样的忽略是有条件的.由受力情况得mg-F=ma,F=Ma,得到F=Mmg/(M+m),即当M≫m时,F才等于mg,我们在实验中认为F=mg是M≫m情况下的近似.这种科学探究过程就是学生体验理想化方法的最好途径.

3.5 物理问题的解决中训练理想化方法

物理理想化模型能清晰反映问题本质,有利于分析和发现规律,在实际物理问题中帮助学生建立正确的理想化模型、训练理想化方法是提高学生分析问题和解决问题的重要途径.在物理问题解决中训练理想化方法应注意以下几点：(1) 要让学生明确我们所研究的任何一个物理问题,都可以用一定的理想化模型代替实际物体和实际过程,也就是采用理想化方法;(2) 要告诉学生我们对物理问题进行理想化时,一定要抓住其本质特征;(3) 要求学生运用理想化方法研究问题时,一定要“具体问题具体分析”,力戒绝对化,力争用最简单的模型进行代替.

图2 离心装置

例如,2021年江苏高考试卷第14题：如图2所示的离心装置中,光滑水平轻杆固定在竖直转轴的O点,小圆环A和轻质弹簧套在轻杆上,长为2L的细线和弹簧两端分别固定于O和A,质量为m的小球B固定在细线的中点,装置静止时,细线与竖直方向的夹角为37°,现将装置由静止缓慢加速转动,当细线与竖直方向的夹角增大到53°时,A、B间细线的拉力恰好减小到0,弹簧弹力与静止时大小相等、方向相反,重力加速度为g,取sin37°=0.6,cos37°=0.8,求： (1) 装置静止时,弹簧弹力的大小F;(2) 环A的质量M; (3) 上述过程中装置对A、B所做的总功W.

训练学生分析本题以下理想物理模型：① 理想状态模型：共点力平衡模型;② 理想条件模型：轻弹簧、轻绳模型;③ 理想物理过程模型：匀速圆周运动模型.分析题目得到以下信息：① 初态是A、B都是共点力平衡模型;② 末态B是共点力平衡模型,A是匀速圆周运动模型,初末状态轻弹簧压缩量和伸长量相等;③ 全过程是对AB及弹簧整体系统整体研究的功能转换.

图3 弹簧缓冲装置

又例如,2012年江苏高考试卷第14题“弹簧缓冲装置”.原题：某缓冲装置的理想模型如图3所示,劲度系数足够大的轻质弹簧与轻杆相连,轻杆可在固定的槽内移动,与槽间的滑动摩擦力恒为f.轻杆向右移动不超过l时,装置可安全工作. 一质量为m的小车若以速度v0撞击弹簧,将导致轻杆向右移动l/4. 轻杆与槽间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力,且不计小车与地面的摩擦.若弹簧的劲度系数为k,求： (1) 轻杆开始移动时,弹簧的压缩量x; (2) 求为使装置安全工作,允许该小车撞击的最大速度vm; (3) 讨论在装置安全工作时,该小车弹回速度v′和撞击速度v的关系.

本题是缓冲装置的理想物理模型,训练学生分析本题以下理想物理模型：① 理想条件模型：轻弹簧、轻杆模型;② 理想物理过程模型：系统机械能守恒模型.从而得出以下关键信息：① 当弹簧弹力小于f时轻杆不动,是系统机械能守恒的理想模型;② 当小车初动能过大,弹簧弹力达到f后,由于是轻杆理想条件模型,弹簧形变量不变,所以小车、弹簧、轻杆一起减速,系统机械能减少;③ 速度减小到0时,轻杆不动,弹簧将弹性势能转化为小车动能,小车反弹,又是系统机械能守恒的理想模型.

因此,我们只有在平时的物理问题的解决中不断训练理想化方法,才能真正提高学生的能力,解决好实际问题.

4 结语

在高中物理教学中对学生进行理想化方法的培养可以引导学生自己形成物理观念,有助于学生提出问题并设想解决问题的方向;有助于激发学生探索的意向, 引导学生进行自主学习;有助于发展学生的思维,培养学生的创新能力,提高学生核心素养.