物理学中的理想化模型

摘 要：理想化模型是物理学中特别重要的一种科学抽象的思维方法，能把复杂的抽象的物理问题简单化，简明扼要地揭示事物的本质，本文从三个不同的方面阐述了物理学中的理想化模型。

关键词：物理学 理想化模型

物理学是一门研究物质最基本、最普遍的运动形式的自然科学。由于自然界的物质种类多样化，运动形式错综复杂，相互作用又各具特点，几乎任何一个具体问题都会牵扯到众多因素，因此为了达到对事物本质的认识，必须根据所研究对象和问题的特点把复杂的问题简单化或理想化，即理想化方法。何为理想化的方法？理想化方法是物理研究中特别重要的一种科学抽象的思维方法，它根据所研究问题的需要和具体情况，把研究对象次要的、非本质的因素撇开、舍弃，有意地提取主要的和本质的因素加以考虑和研究，从而简明扼要地揭示事物的本质，而且理想化方法有时更能有效地反映自然界的规律。

在对物理的研究中，所提到的理想化方法有三大基本的种类，第一是物理条件的理想化，第二是物理的理想模型，第三是物理学上的理想实验。

一、物理条件的理想化

在物理学的研究中，研究对象总是处在多个外在条件下，这些外在条件中，有的是对物体的运动特点起着重要作用的，而有的却是对研究这个物体没有什么影响的。在这种情况下，我们就要做进一步的分析，认清哪些条件是必须考虑在内的、影响大的，而哪些条件是影响很小的，对于这样的条件我们可以忽略不计，这就是物理条件的理想化。比如，在电场中运动的带电粒子，往往电场力都远远大于重力，此时，重力对它的作用十分小，可以不用考虑，这就是一种条件的理想化模型。再比如物理学上的光滑表面、轻杆、均匀介质、匀强电场、匀强磁场不计空气阻力、不计摩擦等都属于条件模型，是对研究对象所处环境的一种理想简化。

二、物理的理想模型

理想模型就是指为了能方便地研究物体，在物体原来形状、大小的基础之上，经过抽象思维而设计出来的一个特殊的物体。这些抽象出来的物体能集中反映出某一类实际对象的主要特征，使得事物的主要特点变得简单、清晰。有了这样的模型，使人们研究事物现象的方法更简单，对客观事物本质的认识更深刻全面。在物理学中，常见的理想模型有：质点、弹簧振子、单摆、理想气体、点电荷、点光源等。比如，在研究物体的运动时，如果物体的形状和线度对研究的问题无影响或影响非常小时，我们就可以把物体看作一个点，但这个点确集中了物体的全部质量。 在研究地球绕太阳公转时，尽管地球的体积很大，但是它的大小比其绕太阳的公转的半径要小得多，此时就可以把地球看作一个质点。但在讨论地球自转的时候，就不能把地球看作一个质点，不能忽略地球本身的体积。

所以，在理解和应用物理模型的时候，应注意每种模型都有一定的条件和范围。把一个物体抽象成什么样的模型，要根据具体情况来分析，不同的研究过程中，即便是同一个物体也可能需要抽象成几种不同的模型。一个物体是否可以当作理想模型来处理是有条件的，也是相对的。

三、物理学上的理想实验

理想实验又叫假想实验、思想实验、思维实验、想象实验或抽象实验，是人们在思想中塑造的理想的实验过程。理想实验在物理学中发挥着重要的作用，牛顿总结的惯性定律就是由理想实验得出来的。理想实验既不同于真实的科学实验，又有别于纯粹的理论假说或纯粹的理论推演，是在实验基础上经过概括、抽象、推理得出规律的一种研究问题的方法，但得出的某些规律却又不能用实验直接验证，又称推理法。1632年伽利略用理想实验法推翻了亚里士多德的统治了二千多年的关于"受力运动的物体，当外力停止作用时便归于静止"这一类陈旧观念。伽利略在实验过程中注意到，当一个小球从一个斜面滚下又滚上另一个斜面时，几乎可达到相同的高度。如果能将摩擦完全消除的话，高度就会完全相等。随后，他又假设，如果将第二个斜面的斜度完全消除，那么小球从第一个斜面滚下后，将以恒定的速度在无限长的光滑斜面上一直运动下去。这就是一个理想实验，因为摩擦是永远无法消除的。物理学史上除了伽利略的斜面理想实验外，还有两个著名的理想实验，分别是惠更斯的碰撞实验和爱因斯坦火车。

作者简介：胡伟，1980.09.02，男，江西九江，江西科技学院，硕士，理论物理专业。

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