且电量保持不变，求停止运动前所通过的总路程S。
此题若根据小物体每次与墙相碰后往返的路程来解，则面对的是一个等比数列的求和问题，虽然数列形式也是美的，但解法复杂；若注意到摩擦力作功与路程有关，则由动能定理列出，一个式子即可求出S，比较两种解法，学生无不为第二种解法的简洁脱俗表现出惊异与赞赏，学生很自然的就能从这个解答中领悟出奇异美，同时也体验到简洁美。
学生通过这类问题的讨论，都能从愉悦中体会和鉴赏出科学中的奇异美，由此也就在深化审美观念的同时培养了学生研究物理问题的兴趣。
3．模型美与和谐美
一般地说，美至少有两个各具特征的层次，一个是事物外在的感性形态美；另一个则是内在的和谐理性之美。
物理源于客观实体，但又高于客观实体，物理是通过建立抽象的、理想的模型来做为构造理论体系的基础，这些模型和理论分别具有模型美与和谐美。
例如物理中的电场线和磁感线是一类抽象模型，它们都是为形象描述客观实体电场和磁场性质所画出的具有一定规律并且颇具美感的线条，这些线条以美的形态把抽象的场变为能够为视觉感受到的模型，模型在体现模型美的同时也体现了电场和磁场的抽象美。
物理中抽象模型是美的，光滑平面、理想气体等理想模型也是美的，实验中的仪器、一些实体模型也都以其优美的造型，庄重的色彩给人以美感。
和谐美是理性地研究自然的基本思路，自然界存在的和谐性是很多科学家固定的思想方式和研究方法，并成为一种信念和追求。
和谐美是指事物和现象的各种要素、各个部分、各个方面的协调有序、匀称流畅，是具有多样化的特殊统一美。
例如，磁通量把本来并不存在的抽象物理模型——磁感线与描述客观存在的磁场强弱的物理量——磁感应强度有机的联系了起来，这就充分体现了和谐美的主要特征：
协调有序和多样统一。
再例如，中学物理中理想气体的状态方程，就把玻意耳定律、查理定律和盖×吕萨克定律在理想条件下统一了起来，这又是和谐美的匀称流畅、多样统一。
大凡科学理论和科学规律，都具有和谐美，这是因为理论和规律都具有内在的结构和谐与外在的功能和谐的两个方面的统一，这种和谐与统一就是科学美的重要组成部分。
教学中通过对类似上述模型与规律的分析，可以促使学生从理性上感悟出物理中的科学美，由此也就可以在学习物理的过程中发现更多的物理美，这对学习物理方法的优化无疑是十分重要的。
4．状态美与过程美
这是从定态与动态的审美角度来理解科学规律所体现的美感，所谓定态是指物体运动变化过程中的固定或稳定状态。
由于物体运动变化的某一瞬间也都具有确定的物理量值，所以这个瞬间状态也是一种定态，是一种瞬间定态，而过程则是这些瞬间定态的连续无缝集合。
物体的运动变化往往是连续的，用牛顿运动律及运动学规律可以求出某一瞬间的有关物理量，这些瞬间的量就构成了问题过程的细节，所构造出的物理情景以其连续和谐呈现出过程美；状态美则体现对定态量的定义和数量上的把握，动能、势能、动量等都是定态量，无论动量守恒、还是机械能守恒都体现了状态量对定态变化前后的一致和谐性，使物理的状态情景具有美感。
过程美与状态美同认识物体运动变化的动态与定态的方法相对应，二者是学习与研究物理科学的互补的认识途径。
学习物理既要善于从状态、固定上去把握物体，又要善于从过程、运动上去掌握运动变化的规律，从定态和动态中去理解、去体验物理情景的状态美与过程美，通过美化物理情景来达到到活化物理情景，从而能使学生对物理的理解从科学美上得到形象化的拓宽和加深。
5．结构美与对称美
物理概念和规律是从本质与现象、内容与形式的角度来揭示自然规律的。
本质可以理性地说明现象，形式的结构可以表达出本质内容的深刻内涵和广阔外延。
例如，密度的定义式、电阻的定义式、电场强度的定义式等，都以其简单相同的比的结构来定义具有深刻内涵和广阔外延的不同物理概念，这种比是本质属性与形式结构的和谐，这种和谐就显示出它们的结构美。
结构美通常都具有简单和谐性、对称相似性和深刻普适性，由此再看上述几个定义式，其结构美的特征就一览无疑了。
科学美中的对称美来源于自然界物质形态美及其运动图景所具有的广泛对称美，借助于建筑美学很容易理解对称美概念，一些建筑物外表的对称显示出一种空间方位上对称的美感，我国古建筑如天安门、天坛、故宫等就呈现出庄严稳重的对称美。
物理学家劳厄曾把物理公式中极端精炼和庄严稳重的对称结构称之为“美学上真正完美的对称形式”。
十分强调审美意识的物理学家狄拉克正是由对称美出发，依据我们所处的物质世界提出了反物质的概念，可见审美意识也是物理发现和创造的基础。
同样在学习物理中的审美意识有助于强化对物理概念和规律的理解，如机械能守恒定律的表达式、动量守恒定律的表达式等，都具有平稳庄重的对称美；电场与磁场、波粒二象性、负电子与正电子也都具有内涵与外延的对称美。
在教学中指导学生从规律结构的对称性来认识自然中的守恒规律，并启发学生感悟出对称是一种美的结构，从中进行审美意识的培养。
从对称美的角度去理解物理和掌握这些规律，会使学生对貌似枯燥的理论产生愉悦感，由此即可提高对学习物理的兴趣。
物理学本身是一个美的世界，蕴含着丰富的科学美，不管是那一个概念、那一条规律，都同时具有多种形式的科学美，如牛顿第二定律F=ma，它就具有结构简洁美、内涵深刻美、描述运动状态美和过程美、宏观物体运动普适统一美等。
马克思曾指出过：
“人类是按美的规律去改造世界的。
”这就是说，美不仅是人类所应追求的目标之一，而且还要按照美的规律去认识世界、改造世界。
那么物理，做为自然科学的一门主科，在中学物理教学中，就应更多地追求在教学中的科学美，把指导学生从科学美的方面去认识物理、学习物理来作为物理教学中的一个重要内容。
认识与发掘物理中的科学美，从科学美的角度去认识物理、研究物理，一定可以使学生对物理的理解在科学审美中得到飞跃和升华。
五、中学物理中蕴藏的思想方法
如：
形象思维类有观察法、实验法、隔离法、整体法、相似形法、比喻法、展开法、作图法、图像法、估算法、叠加法等等,抽象思维类有归纳法、推理法、理想化方法、穷举法、假说法、极端法、逆推法、排除法、解析法、微元法、类比法、等效法等等。
课后作业：
选择一个物理方法撰写一篇小论文
第二节 理想化方法及运用
一、理想化模型
自然科学的发展史，也是不断地建立和运用物理模型的历史，它能使人们把握本质和主流。
理想模型是在实验事实的基础上，通过科学推理想象得出的。
伽利略的理想斜面，汤姆逊、玻尔、卢瑟福的原子模型，都是物理模型的典型范例。
1．什么是物理模型
自然界是纷繁复杂、千变万化的，人们要研究的实际问题往往有众多的因素，为了研究问题的方便，物理学上常常采用“简化”或“理想化”的方法，对实际问题进行抽象化处理，保留主要因素、略去次要因素，得到一种能反映原物质本质特性的理想的物质（过程）或假想结构，此即为物理模型。
简单地说，物理模型就是人们为了研究物理问题的方便和探讨物理事物的本质而对研究对象所作的一种简化的描述或模拟。
它是以物理现象和实验定律为基础，通过分析与综合、比较与分类、抽象与概括等思维方式，采用理想化方法所创造的，能再现研究对象本质和内在特性的一种简化模型。
物理模型是在抓住主要因素、忽略次要因素的基础上建立起来的，它能具体、形象、生动、深刻地反映事物的本质和主流。
物理模型是形象思维和抽象思维的统一，建立物理模型是物理学中很重要的一种研究方法。
2．物理模型的特点
物理模型的第一个特点是典型性，物理模型是从一类物理问题中，抓住主要的本质问题，删除干扰和次要因素，集基础知识与基本规律于一体，具有代表性的结晶。
物理模型的第二个特点是方法性，物理模型不仅是知识的结晶，同时也是思维的结晶，掌握好物理模型，除了加深对物理概念的理解之外，还可以从物理模型的建立，理解物理知识深刻的内涵和外延，体会将物理知识应用于解决实际问题的思路。
物理模型的第三个特点是美学性，物理模型能简明扼要地揭示物理问题，体现了它的形式美，物理模型是知识与思维的产物，是知识与能力的完美结合，体现了它的和谐美，随着学习的深入，对同一模型会有不同层次的体会和感悟，会为它丰富的内涵所折服，体现出它的内在美。
3．中学物理中常见的物理模型
物理模型是物理思想的产物，是科学地进行物理思维并从事物理研究的一种方法，中学物理中常见的物理模型，可以归纳如下：
（1）、物理对象模型化。
物理中的某些客观实体，如质点，舍去物体的形状、大小、转动等性能，突出它所处的位置和质量的特性，用一有质量的点来描绘，这是对实际物体的简化。
还如杠杆、点光源、刚体、点电荷、薄透镜、连通器、单摆、理想气体等都是理想模型，这些理想模型都是以客观存在为原型，但在抽象思维的过程中运用了“忽略次要因素，抓住主要因素”这个基本方法，从而使物理问题简化。
再如，为了形象直观描述一个抽象的概念，还运用了一些如电场线、磁感线等理想模型，通过这些模型将电场、磁场的物理性质描述得形象直观，便于人们理解认识。
（2）、物体所处的条件模型化。
当研究带电粒子在电场中运动时，因粒子所受的重力远小于电场力，可以舍去重力的作用，使问题得到简化。
力学中的光滑水平面；热学中的绝热容器、电学中的匀强电场、匀强磁场等等，都是把物体所处的条件理想化了。
（3）、物理状态和物理过程的模型化。
例如，电学中的稳恒电流、等幅振荡；热学中的等温变化、等容变化、等压变化；力学中的自由落体运动、匀速直线运动、简谐运动、弹性碰撞等等都是物理过程和物理状态的模型化。
（4）、理想化实验。
在实验的基础上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，根据逻辑推理法则，对过程进一步分析、推理，找出其规律。
例如，物理教材中介绍了伽俐略斜面实验，这是一个理想实验，这个理想实验为牛顿第一定律的产生奠定了基础，可见，理想化实验并不是脱离实际的主观臆想，它是以实践为基础，运用逻辑法则进一步揭示出客观现象和过程之间内在逻辑联系，并由此得出结论。
因此，理想化实验是一个思想模型，这个模型隐藏的方法启发人们认识了惯性定律，甚至相对论、量子理论的建立都离不开理想化实验。
（5）、物理中的数学模型。
客观世界的一切规律原则上都可以在数学中找到它们的表现形式。
在建造物理模型的同时，也在不断地建造表现物理状态及物理过程规律的数学模型。
数学是学习物理的基础和工具，物理中有许多问题可以用数学模型去研究处理，这样，可以开阔视野，培养学生思维能力，同时，也可以解决一些单靠常规物理方法难以解决的问题。
例如，构造方程组，解决密度问题；构造一次函数，解决温度计刻度问题；构造比例，解决与电功率有关的问题；构造不等式，解决凸透镜焦距问题。
二．理想实验
所谓“理想实验”，又叫做“假想实验”、“抽象的实验”或“思想上的实验”，它是人们在思想中塑造的理想过程，是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法．
“理想实验”虽然也叫做“实验”，但它同前面所说的真实的科学实验是有原则区别的，真实的科学实验是一种实践的活动，而“理想实验”则是一种思维的活动；前者是可以将设计通过物化过程而实现的实验，后者则是由人们在抽象思维中设想出来而实际上无法做到的“实验”．
但是，“理想实验”并不是脱离实际的主观臆想，首先，“理想实验”是以实践为基础的．所谓的“理想实验”就是在真实的科学实验的基础上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，对实际过程作出更深入一层的抽象分析．其次，“理想实验”的推理过程，是以一定的逻辑法则为根据的，而这些逻辑法则，都是从长期的社会实践中总结出来的，并为实践所证实了的．
在自然科学的理论研究中，“理想实验”具有重要的作用．作为一种抽象思维的方法，“理想实验”可以使人们对实际的科学实验有更深刻的理解，可以进一步揭示出客观现象和过程之间内在的逻辑联系，并由此得出重要的结论．
例如，作为经典力学基础的惯性定律，就是“理想实验”的一个重要结论．这个结论是不能直接从实验中得出的．伽俐略曾注意到，当一个球从一个斜面上滚下而又滚上第二个斜面时，球在第二个斜面上所达到的高度同它在第一个斜面上开始滚下时的高度几乎相等．伽俐略断定高度上的这一微小差别是由于摩擦而产生的，如能将摩擦完全消除的话，高度将恰好相等．然后，他推想说，在完全没有摩擦的情况下，不管第二个斜面的倾斜度多么小，球在第二个斜面上总要达到相同的高度．最后，如果第二个斜面的倾斜度完全消除了，那么球从第一个斜面上滚下来之后，将以恒定的速度在无限长的平面上永远不停地运动下去．这个实验是无法实现的，因为永远也无法将摩擦完全消除掉．所以，这只是一个“理想实验”．但是，伽俐略由此而得到的结论，却打破了自亚里士多德以来1000多年间关于受力运动的物体，当外力停止作用时便归于静止的陈旧观念，为近代力学的建立奠定了基础．后来，这个结论被牛顿总结为运动第一定律，即惯性定律．
爱因斯坦在建立狭义相对论时，曾经作了关于同时性的相对性的一个“理想实验”．即当两道闪电同时下击一条东西方向的铁路轨道时，对于站在两道闪电正中间的铁道旁边的一个观察者来说，这两道闪电是同时发生的．但是，对于乘坐一列由东向西以高速行进的火车正好经过第一个观察者对面的第二个观察者来说，这两道闪电并不是同时下击的．因为，第二个观察者是在行近西方的闪电而远离东方的闪电，西方的闪电到达他的眼里的时间要早一点．因此，在静止的观察者看来是同时发生的闪电，在运动中的观察者看来却是西方先亮，接着东方再亮．同时性的相对性这一概念的提出，是狭义相对论建立过程中的一个关键．
爱因斯坦在建立广义相对论时，作了自由下落的升降机的“理想实验”．他设想：
在自由下落的升降机里，一个人从口袋中拿出一块手帕和一块表，让它们从手上掉下来，如果没有任何空气阻力或摩擦力，那么在他自己看来，这两个物体就停在他松开手的地方．因为，在他的坐标系中，引力场已经被屏蔽或排除了．但是，在升降机外面的观察者看来，则发现这两个物体以同样的加速度向地面落下．这个情况正揭露了引力质量和惯性质量的相等．爱因斯坦又设想了另一种情况的“理想实验”．即：
升降机不是自由下落，而是在一个不变的力的作用下垂直向上运动（即强化了升降机内部的引力场）．同时设想，有一束光穿过升降机一个侧面的窗口水平地射进升降机内，并在极短的时间之后射到对面的墙上．爱因斯坦根据光具有质量以及惯性质量和引力质量等效的事实，预言一束光在引力场中会由于引力的作用而弯曲，就如同以光速水平抛出的物体的路线会由于引力的作用而弯曲一样．爱因斯坦预言的光线在引力场中会弯曲这一广义相对论效应，已为后来的观测结果所证实．
量子论的建立也同“理想实验”密切相关．在量子力学中，海森堡用来推导测不准关系的所谓电子束的单缝衍射实验，也是一种“理想实验”．因为，中等速度的电子的波长约为10-8厘米左右，这跟原子之间的距离属于同一个数量级．因而，只要让电子束穿过原子之间的空隙，就会发生衍射．但是，要想制成能够使电子发生衍射的单缝，首先就必须做到把单缝周围的所有原子之间的空隙都给堵死．实际上这是做不到的．在实验中，人们只能做到电子的原子晶格衍射实验，而无法实现电子的单缝衍射实验．
“理想实验”在自然科学的理论研究中有着重要的作用．但是，“理想实验”的方法也有其一定的局限性．“理想实验”只是一种逻辑推理的思维过程，它的作用只限于逻辑上的证明与反驳，而不能用来作为检验正确与否的标准．相反，由“理想实验”所得出的任何推论，都必须由观察或实验的结果来检验．
三、善于把生活中的原型分解、简化、抽象成物理模型
例 跳绳是一种健身运动，设某运动员的质量为50kg，他1min跳绳180次，假定在每次跳跃中，脚与地面接触时间占跳跃一次所需时间的2/5，则运动员跳绳时克服重力作功的平均功率（指对跳绳的整个过程取平均──笔者注）是────W．（g取10m/s2）（1994年上海高考题）
解析本题直接取材于人们都很熟悉的生活现象，许多学生感到无从下手难度很大．这里的关键有两点，第一是经分解、简化、抽象建立正确的物理模型．第二是用功能关系理顺解题的思路．
首先，把跳绳的运动分解成脚脱离地面和脚接触地面两段过程．在人脚跳离地面到落回到地面这段时间，由于运动速度比较小，空气阻力可以忽略，而且主要是身体（或质心）上下的平动，故可以建立竖直上抛运动的简化模型．
然后再考虑到，运动员跳绳时人体消耗生物能转化为跳起时的动能，而且正因为具有该动能才能克服重力作功，二者的数值应当相等．这样，只要根据题中给出的条件和竖直上抛公式，求出跳起时的动能和平均跳一次的时间，就可以求出题中所要求的平均功率．
运动员平均每跳一次的时间为T=t/N=60/180s=1/3s，则每次在空中停留时间为T′=（1－2/5）T=1/5s．由竖直上抛公式，上升到最高点的时间t1=v0/g=T′/2．可得v0=T′g/2=1/2×1/5×10m/s=1m/s．
故运动员跳绳时克服重力作功的平均功率为
课后作业：
1．额定功率为80kW、质量为2.0t的汽车，在平直公路上行驶。
设汽车所受阻力为4.0×103N，且保持不变。
如果汽车从静止开始做匀加速直线运动，加速度的大小为2.0m/s2。
那么，汽车做匀加速直线运动的时间为多长？
（提示：
汽车运动模型应分为“匀加速、变加速、匀速”三阶段。
）
2．质量为m的斜面B，静止在光滑的水平地面上，与地面弧形连接，斜面光滑，另一质量也为m的滑块A，以v0的速度滑上斜面，若滑块不能越过斜面，那么它滑回地面后斜面B及滑块的速度各为多少？
（提示：
建立碰撞模型，考虑钢球碰撞的演示实验。
）
3．在光滑的水平轨道上有两个半径都是r的小球A和B，质量分别为m和2m，当两球心间的距离大于L（L比2r大得多）时，两球之间无相互作用力；当两球间的距离等于或小于L时，两球间存在相互作用的恒定斥力F。
设A球从远离B处以速度v0沿两球连心线向原来静止的B球运动，如图21所示。
欲使两球不发生接触，v0必须满足什么条件？
（提示：
建立“子弹穿木块”的物理模型。
）
4．如图22所示，质量m的木块放在光滑斜面上，初始时距斜面底端L，斜面倾角为37°，斜面上有一轻挡板，斜面体放在光滑水平面上，原处于静止状态。
撤去挡板的同时，在斜面体上加一水平恒力，使木块与斜面体之间恰无相互作用，问当木块落地时，斜面体的速度多大？
第三节 等效法及运用
等效法亦称“等效替代法”，是科学研究中常用的思维方法之一。
等效方法是在保证某种效果（特性和关系）相同的前提下
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