理想化实验在物理学发展中的作用

理想化实验越来越受到人们的重视,它促进了物理规律、理论的发展,推动了物理学向新的领域扩展.
1、推动物理学发展
由于受人们认识水平和时代科技水平的限制,理想化模型不可能全面地反映原型,所以如果提出的理想化模型不能说明新观察到的现象,或与新的实验事实有矛盾,就需要对这个理想化模型进行补充、修正、甚至否定,提出新的理想化模型,再由实验检验.在这一发展过程中,理想化模型对原型的近似程度得到了提高.
创建物理学离不开建立物理理想化模型的例子在物理学史上屡见不鲜,比比皆是.在力学中,牛顿提出了万有引力理论便是一个著名的例证.牛顿一方面运用了开普勒的行星运动的太阳系模型,另一方面借助数学方法证明了“一个球体吸引外边物体时,它们的质量就好像集中在它们各自的中心一样太阳系中的所有星球可视为有质量而无形状与大小的质点.”据此,建立了质点模型,把宇宙万物视为质点.从而首先发现了万有引力定律.理想化模型是在物理学的发展过程中逐渐建立的.
如1897年汤姆逊发现了电子,鉴于原子呈电中性,他提出了原子的“枣糕”模型.这个模型能解释一些实验事实,但没过几年就被新的实验事实否定了.1909年卢瑟福及盖革等人做的a粒子散射实验,其结果根本无法用汤姆逊模型解释.1911年卢瑟福为解释a粒一子散射实验的结果,提出了原子的核式结构模型.这个模型很好地解释了a粒子的散射实验,初步建立了原子的结构的正确图景.建立核式模型,虽然只是科学家建立理想化模型的一个例子,但它反映了建立理想化模型的一般方法.实验观察是建立理想化模型的基础,抽象分析和形象想象是建立理想化模型的基本手段,观察、分析、抽象、想象是建立理想化模型的一般方法和过程.
2、促进物理教学
物理模型的提出与发展揭示了物理概念的进化与形成;所以模型方法也就成为理解物理概念的基本思路.如物理学中的专用或通用名词“物质”或“物体”是没有形态和大小的是各种物质或物体的抽象,可视为物理学的语言模型.电学中的库仑定律只适用于真空中的点电荷模型.几何光学反射,折射定律则是因为建立了“光线”“点光源”“平滑的反射面,折射面”这些光学模型后方才得出的等等.解答物理习题亦可以说是应用模型方法的过程.基本思路大体如下:分析题意,确定对象的理想化模型,察看对象所处环境,确定过程的理想化模型,然后将物理模型转换为相应的数学模型,推出结果.现举一例说明模型方法在解题中应用.