物理學(xué)論文-關(guān)于物理學(xué)中的理想化方法.doc

物理學(xué)論文-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程論文摘要：理想化方法是人們在認(rèn)識事物、探索事物內(nèi)在本質(zhì)及規(guī)律的過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，都是在通過對研究對象進(jìn)行抽象概括，對研究過程進(jìn)行簡化的條件下得來的。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)合多年來教學(xué)中對他們的認(rèn)識和理解，針對物理概念如何模型化、物理過程以及物理實(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。在研究物理過程中，往往由于過程的影響因素比較多，要發(fā)現(xiàn)過程中的本質(zhì)及規(guī)律不容易的，或者是不可能的因此我們需要對整個(gè)過程或過程中的某一部分進(jìn)行假設(shè)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(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(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(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)感到無從下手，也就無法得到最終的結(jié)果。在人類歷史發(fā)展過程中，通過大量實(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(fù)雜問題的研究。庫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，如果沒有“點(diǎn)電荷”這個(gè)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(zhì)點(diǎn)的建立，便不會(huì)有牛頓定律和萬有引力定律。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。可以說，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(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物理過程的理想化自然界中各種運(yùn)動(dòng)過程非常復(fù)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(yùn)動(dòng)的主蔡特征和規(guī)律，把運(yùn)動(dòng)過程想象為一種簡單化的、實(shí)際上不存在但又經(jīng)得起實(shí)踐驗(yàn)證的運(yùn)動(dòng)過程。在研究物體的碰撞問題時(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)力存屬彈力，這樣的形變就能完全恢復(fù)。顯然整個(gè)碰撞過程只存在動(dòng)能和彈性勢能之間的相互轉(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摩擦軌道上的運(yùn)動(dòng)過程，熱學(xué)中研究琿想氣體等質(zhì)纂過程中能量的轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)時(shí)，往往被視為自由落體運(yùn)動(dòng)，那是因?yàn)樵诼潴w運(yùn)動(dòng)過程中忽略了空氣阻力、重力隨高度變化等因素，認(rèn)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(yùn)動(dòng)條件的物體在自然界中無法實(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)律來處理，所以自由落體理想過程的建立有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。物理學(xué)中的過程處處可見，如所有運(yùn)用機(jī)械能守恒定律處理的運(yùn)動(dòng)過程、勻速直線運(yùn)動(dòng)過程、原予核的衰變過程等等。理想過程是對實(shí)際過程的一種科學(xué)的近似，也是對實(shí)際過程進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)。對理想過程的研究，很容易發(fā)現(xiàn)實(shí)際過程中所包含的規(guī)律，能更準(zhǔn)確更深刻的抓住問題的實(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(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，對實(shí)際過程作出更深層次的抽象分析，指出客觀現(xiàn)象的過程之間的內(nèi)在聯(lián)系及其規(guī)律，并由此得出重要結(jié)論。愛因斯坦就十分重視理想實(shí)驗(yàn)的研究，他通過設(shè)想的閃電理想實(shí)驗(yàn)，提出了同時(shí)性的相對性概念。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)，對站在兩道閃電中的觀察者來說，這兩道閃電是同時(shí)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(shí)下?lián)舻?，同時(shí)性的相對性概念是建立狹義相對論的一個(gè)關(guān)鍵。伽利略的“平斜槽”理想實(shí)驗(yàn)，一方面使人們對力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系的認(rèn)識有了劃時(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)。而慣性定律是無法用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的，很多的自由落