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1引言
理想化方法是中学物理中非常重要的一种科学思维方法, 这种方法可以概括为“去粗取精、抓住主要矛盾、运用逻辑推理、建立物理模型”.特别是我们在中学物理解题中,一定要根据所研究对象的具体情况, 确定问题主要的、本质的因素,舍弃其次要的、非本质的因素,将条件复杂的实际过程转化为简单的理想化过程.这样,我们就可以透过研究对象的表面现象,比较容易地发现研究对象的本质及变化规律,从而给中学物理解题带来便捷.
所谓理想化方法,就是人们在观察和实验的基础上,通过抽象思维和想象力,把研究对象置于理想状态下,有意识地突出研究对象的主要因素,排除次要因素和无关因素的干扰,用理想化的物理模型代替具体的研究对象而进行科学研究的方法.
2理想化方法的分类
中学物理教材中所提到的理想化方法主要包括三个方面:一是理想模型方法,其二是理想实验方法,三是理想过程方法.
2.1理想模型方法
理想模型可以分为三大类别:对象模型,这是对实际对象的一种理想简化;条件模型,对涉及到的环境条件的一种理想简化;过程模型,对外界干扰要素的一种理想简化.通过建立一个理想模型,可以在解决问题的过程中将一些次要的因素忽略,从而使物理过程变得简单明了.
比如,小球从距地面某一高处静止释放,研究其下落过程.分析:小球静止释放,初速度为零, 下落过程中影响小球运动的成分很多:一是重力因素,依据万有引力定律, 重力加速度g的大小受高度和纬度的影响;二是空气阻力因素,阻力大小与小球的自身特点和下落时的速度都相关;除此以外还有风速、地球自转等因素的影响,倘若将以上因素综合考虑,会使研究过程变得相当复杂,事实上也没有那么大的必要.就像小球下落过程中,重力起主导作用,由于处于近地面,因此可以将重力的大小看做是恒定的;因为球下落速度较小,所以空气阻力的影响与地球自转带来的影响可以忽略,因此,复杂的问题变得简单了.小球的下落过程可视作是只受到恒定重力的作用,即自由落体运动,这便是一个理想的物理模型.但我们一定要注意在中学物理解题时每种模型都有其适用条件和范围,在不同的情况下,即便是同样的研究对象,也可能被建构成不同的模型.例如:研究花样滑雪运动员的运动轨迹时可以将运动员视为质点,但要研究该运动员的动作时,就不能将他视为质点了.在物理学中,每种物理模型都是在某些特定的条件下存在的,这就要求我们在模型的选择上,做到充分考虑所研究问题的目的、特征等,然后做出判断,选择合适的物理模型.
2.2理想实验方法
理想实验方法是一种假想实验,其实质是一个逻辑推理的过程,它通过假想的方式进行,所以又称其为假想实验.但它是一种逻辑推理的思维过程,是研究物理理论的重要方法.理想实验不是脱离实际的主观臆想,这种实验是以实践为基础,在真实的、科学的实验基础上,抓住实验的主要因素,排除次要因素,对实际的实验过程作出更深层次的抽象分析,得出客观现象的过程之间的内在联系及其规律,并由此得出重要的物理结论.意大利伟大的物理学家伽利略发现的“力与运动的关系”便是通过理想斜槽实验而得以闻名的,通过理想实验方法,他得出这样的结论:运动不需要力来维持.很明显,光滑而没有摩擦的圆弧轨道是不可能被制造出来的,只是人们为了方便研究而假想的,理想实验是在大量的实验与观察的基础上得出的总结性结论,实际上是以实验事实为基础的科学设想.
2.3理想过程方法
物理现象只有在具体物理过程中才能得以呈现.而一些物理过程往往十分复杂,存在许多关联因素,如果都加以考虑就会难以甚至无法对问题进行研究.因此,对于所研究的物理过程也必须抓住主要矛盾,忽略其次要矛盾,才能认识到在理想状态下的这些物理现象的发展变化过程,用理想化过程形象近似地反映实际的物理过程,才能把握物理现象和规律.如:力学中的匀速直线运动、匀变速直线运动、简谐振动、匀速圆周运动、抛体运动;热学中的等温、等压、等容、绝热过程;电磁学中的正弦电流、稳恒电流、匀强磁场、匀强电场中的各种带电粒子的运动等等.理想过程方法是对实际过程的一种科学近似,它是对实际过程进一步研究的基础条件.通过对理想过程的研究,容易发现其实际过程中所包含的物理规律,就能更准确更深刻地抓住所研究问题的实质.
3理想化方法给中学物理解题中的应用
在中学物理中要运用理想化方法解题,首先必须掌握理想化方法所遵循的规律,才能将遇到的问题加以简化,灵活地运用理想化方法进行分析和运算.下面以一道运动问题为例,谈谈如何应用理想化方法提取题中的主干信息,抓住主要矛盾、忽略次要矛盾,使中学物理解题快捷.
例如图1,在光滑的冰面上,质量为mA的物块A以速度v0向左运动,在它的前方P点处,有一静止的物块B,其质量为mB,当A与B发生正碰后,均向左运动.物块B在O点处与墙壁发生弹性碰撞,反弹后与物块A在C点相碰,已知:OC=2CP(物块间的碰撞以及物块与墙面的碰撞都是弹性碰撞)求物块A、B的质量比为多少?
分析解这道题时,首先要运用理想化的方法抓住问题的主要因素,忽略次要因素.由题干可知,物体间发生的是弹性碰撞,说明碰撞后物体可恢复原状且碰撞前后动量和动能都守恒.其次,题目中已知冰面光滑,因此,物块在滑动过程中不会有摩擦,也不会有能量损失.由于物块A、B本身有大小,但相较于它们运动通过的路程而言,可以忽略它们自身的大小而将它们视为质点,因此,通过这样的分析,第一,模型上我们可以将两个物块看成是两个质点,可忽略体积大小等因素;第二,实验条件我们认为是处于理想化状态下,可忽略摩擦等因素;第三,运动过程也处于理想化,可忽略空气阻力等因素,不考虑能量损耗.
解A、B物块在P点发生弹性碰撞后,假设它们分别保持v1、v2的速度向左运动,随后,B碰到墙面后反弹,与A物块在
C点处第二次碰撞.由于A、B在两次碰撞期间都保持各自的速度运动,因此它们运动的路程之比等于它们的速度比,由分析可知,质点B通过的路程为PO OC,质点A通过的路程为PC,因此(PO OC)∶PC=v1∶v2=1∶5(1)
由于忽略碰撞过程损失的能量,因此,由能量守恒可得12mAv20=12mAv21 12mBv22(2)
又题中已知该过程中的碰撞都是弹性碰撞,因此,由动量守恒可得mAv0=mAv1 mBv2(3)
联立以上三个式子可得v0=4v1, mA∶mB=5∶3.
在中学物理中,理想化方法的引入以及应用给我们的解题以及思考带来了很多便捷之处,它对物理学发展也有一定的推动作用.作为教师,应该深入对物理模型的研究,把它作为一种方法,延伸自己对物理的认识;作为学生,应该利用物理模型的构建,掌握一类题型的解法,做到触类旁通,从而在物理学习中游刃有余.
理想化方法是中学物理中非常重要的一种科学思维方法, 这种方法可以概括为“去粗取精、抓住主要矛盾、运用逻辑推理、建立物理模型”.特别是我们在中学物理解题中,一定要根据所研究对象的具体情况, 确定问题主要的、本质的因素,舍弃其次要的、非本质的因素,将条件复杂的实际过程转化为简单的理想化过程.这样,我们就可以透过研究对象的表面现象,比较容易地发现研究对象的本质及变化规律,从而给中学物理解题带来便捷.
所谓理想化方法,就是人们在观察和实验的基础上,通过抽象思维和想象力,把研究对象置于理想状态下,有意识地突出研究对象的主要因素,排除次要因素和无关因素的干扰,用理想化的物理模型代替具体的研究对象而进行科学研究的方法.
2理想化方法的分类
中学物理教材中所提到的理想化方法主要包括三个方面:一是理想模型方法,其二是理想实验方法,三是理想过程方法.
2.1理想模型方法
理想模型可以分为三大类别:对象模型,这是对实际对象的一种理想简化;条件模型,对涉及到的环境条件的一种理想简化;过程模型,对外界干扰要素的一种理想简化.通过建立一个理想模型,可以在解决问题的过程中将一些次要的因素忽略,从而使物理过程变得简单明了.
比如,小球从距地面某一高处静止释放,研究其下落过程.分析:小球静止释放,初速度为零, 下落过程中影响小球运动的成分很多:一是重力因素,依据万有引力定律, 重力加速度g的大小受高度和纬度的影响;二是空气阻力因素,阻力大小与小球的自身特点和下落时的速度都相关;除此以外还有风速、地球自转等因素的影响,倘若将以上因素综合考虑,会使研究过程变得相当复杂,事实上也没有那么大的必要.就像小球下落过程中,重力起主导作用,由于处于近地面,因此可以将重力的大小看做是恒定的;因为球下落速度较小,所以空气阻力的影响与地球自转带来的影响可以忽略,因此,复杂的问题变得简单了.小球的下落过程可视作是只受到恒定重力的作用,即自由落体运动,这便是一个理想的物理模型.但我们一定要注意在中学物理解题时每种模型都有其适用条件和范围,在不同的情况下,即便是同样的研究对象,也可能被建构成不同的模型.例如:研究花样滑雪运动员的运动轨迹时可以将运动员视为质点,但要研究该运动员的动作时,就不能将他视为质点了.在物理学中,每种物理模型都是在某些特定的条件下存在的,这就要求我们在模型的选择上,做到充分考虑所研究问题的目的、特征等,然后做出判断,选择合适的物理模型.
2.2理想实验方法
理想实验方法是一种假想实验,其实质是一个逻辑推理的过程,它通过假想的方式进行,所以又称其为假想实验.但它是一种逻辑推理的思维过程,是研究物理理论的重要方法.理想实验不是脱离实际的主观臆想,这种实验是以实践为基础,在真实的、科学的实验基础上,抓住实验的主要因素,排除次要因素,对实际的实验过程作出更深层次的抽象分析,得出客观现象的过程之间的内在联系及其规律,并由此得出重要的物理结论.意大利伟大的物理学家伽利略发现的“力与运动的关系”便是通过理想斜槽实验而得以闻名的,通过理想实验方法,他得出这样的结论:运动不需要力来维持.很明显,光滑而没有摩擦的圆弧轨道是不可能被制造出来的,只是人们为了方便研究而假想的,理想实验是在大量的实验与观察的基础上得出的总结性结论,实际上是以实验事实为基础的科学设想.
2.3理想过程方法
物理现象只有在具体物理过程中才能得以呈现.而一些物理过程往往十分复杂,存在许多关联因素,如果都加以考虑就会难以甚至无法对问题进行研究.因此,对于所研究的物理过程也必须抓住主要矛盾,忽略其次要矛盾,才能认识到在理想状态下的这些物理现象的发展变化过程,用理想化过程形象近似地反映实际的物理过程,才能把握物理现象和规律.如:力学中的匀速直线运动、匀变速直线运动、简谐振动、匀速圆周运动、抛体运动;热学中的等温、等压、等容、绝热过程;电磁学中的正弦电流、稳恒电流、匀强磁场、匀强电场中的各种带电粒子的运动等等.理想过程方法是对实际过程的一种科学近似,它是对实际过程进一步研究的基础条件.通过对理想过程的研究,容易发现其实际过程中所包含的物理规律,就能更准确更深刻地抓住所研究问题的实质.
3理想化方法给中学物理解题中的应用
在中学物理中要运用理想化方法解题,首先必须掌握理想化方法所遵循的规律,才能将遇到的问题加以简化,灵活地运用理想化方法进行分析和运算.下面以一道运动问题为例,谈谈如何应用理想化方法提取题中的主干信息,抓住主要矛盾、忽略次要矛盾,使中学物理解题快捷.
例如图1,在光滑的冰面上,质量为mA的物块A以速度v0向左运动,在它的前方P点处,有一静止的物块B,其质量为mB,当A与B发生正碰后,均向左运动.物块B在O点处与墙壁发生弹性碰撞,反弹后与物块A在C点相碰,已知:OC=2CP(物块间的碰撞以及物块与墙面的碰撞都是弹性碰撞)求物块A、B的质量比为多少?
分析解这道题时,首先要运用理想化的方法抓住问题的主要因素,忽略次要因素.由题干可知,物体间发生的是弹性碰撞,说明碰撞后物体可恢复原状且碰撞前后动量和动能都守恒.其次,题目中已知冰面光滑,因此,物块在滑动过程中不会有摩擦,也不会有能量损失.由于物块A、B本身有大小,但相较于它们运动通过的路程而言,可以忽略它们自身的大小而将它们视为质点,因此,通过这样的分析,第一,模型上我们可以将两个物块看成是两个质点,可忽略体积大小等因素;第二,实验条件我们认为是处于理想化状态下,可忽略摩擦等因素;第三,运动过程也处于理想化,可忽略空气阻力等因素,不考虑能量损耗.
解A、B物块在P点发生弹性碰撞后,假设它们分别保持v1、v2的速度向左运动,随后,B碰到墙面后反弹,与A物块在
C点处第二次碰撞.由于A、B在两次碰撞期间都保持各自的速度运动,因此它们运动的路程之比等于它们的速度比,由分析可知,质点B通过的路程为PO OC,质点A通过的路程为PC,因此(PO OC)∶PC=v1∶v2=1∶5(1)
由于忽略碰撞过程损失的能量,因此,由能量守恒可得12mAv20=12mAv21 12mBv22(2)
又题中已知该过程中的碰撞都是弹性碰撞,因此,由动量守恒可得mAv0=mAv1 mBv2(3)
联立以上三个式子可得v0=4v1, mA∶mB=5∶3.
在中学物理中,理想化方法的引入以及应用给我们的解题以及思考带来了很多便捷之处,它对物理学发展也有一定的推动作用.作为教师,应该深入对物理模型的研究,把它作为一种方法,延伸自己对物理的认识;作为学生,应该利用物理模型的构建,掌握一类题型的解法,做到触类旁通,从而在物理学习中游刃有余.