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關于物理學中的理想化方法
（作者未知） 2010/5/21
關于物理學中的理想化方法
論文關鍵詞 ：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行抽象概括，對研究過程進行簡化的條件下得 來的。本文以物理學 中所涉及的部分概念、定理 和定律為例 ，并結合多年來教學 中對他們的認識和理解 ，針對物 理概念 如何模型化 、物理過程以及物理實驗如何理 想化進行闡述 ，這樣有助于對物理概念 、定理 和定律的進一步理 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過程或過程中的某一部分進行假設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，變復雜條件的實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 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 中研究 電荷間的相互作用 時 ，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，會感到無從下手，也就無法得到最終的結果。在人類歷史發(fā)展過程 中，通過大量實驗表明：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，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．從而建立起 “點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”，有效的解決了對復雜問題的研究。庫侖定律描述的就是兩個點電荷之 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 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 了氣體分子運動論 。在此基礎上進一步對氣體進行模型化：當分子 間的距離接近十倍或 大于十倍分子直徑時 ，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系一一氣體狀態(tài)方程 。顯然，如果沒有 “點電荷”這個理想模型的建立，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)點的建立，便不會有牛頓定律和萬有引力定律。物理學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、原予核式結構模型 等等�？� 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，物理學的研究就寸步難行 。
2 物理過程的理想化
自然界 中各種運動過程非常復雜 ，為了研 究問題的方便 我們可以忽略次要因 素，突出物體運動的主蔡特征和規(guī)律，把運動過程想象為一種簡單化的、實際上不存在但又經(jīng)得起實踐驗證的運動過程 。
在研究物體的碰撞問題時，認為該系統(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。在此 條件 下 ，這 一系統(tǒng) 遵循 動量 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。顯然整個碰撞過程只存在動能和彈性勢能之間的相互轉(zhuǎn)化，因此碰撞前后系統(tǒng)動量守恒。力學中研究物體在光滑平面或無摩擦軌道上的運動過程，熱學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動時 ，往往被視為 自由落體運動 ，那是 因 為在 落體 運動過程 中忽 略了空氣 阻力、重力隨高度變化 等因素 ，認識物體 只在恒定的重力作用下的下落過程 。顯然，滿足自由落體運動條件的物體在自然界中無法實現(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 自由落體運動規(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)實意義 。 （未完，下一頁）
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