淺談物理模型的應(yīng)用和發(fā)展

張可欣

摘要：物理模型是理論知識(shí)的一種初級形式，理論的研究實(shí)際上就是對模型的研究。綜觀物理學(xué)發(fā)展的歷史，可以說就是不斷提出物理模型，不斷完善舊模型或者代替舊模型的歷史。基于此，本文通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，對物理模型的應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：物理；模型；應(yīng)用；發(fā)展

1物理模型的分類及特點(diǎn)

1.1物理模型的分類

若從分析問題的客觀實(shí)際需要出發(fā)，物理模型可分為兩類：一類是宏觀模型，它的特點(diǎn)是不涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，而只研究模型本體的整體性質(zhì)，如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷即屬此類；另一類是微觀模型，它是建立在物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)假設(shè)基礎(chǔ)上的模型。若從物理型本體來劃分亦可分為兩類：一類是模擬式物理模型，它的特點(diǎn)是直觀、形象，有利于清楚地認(rèn)識(shí)實(shí)物。另一類是理想化的物理模型，這是在原型的基礎(chǔ)上，經(jīng)過科學(xué)帛象而建立起來的一種研究客體，分為三種：實(shí)體物理模型，如點(diǎn)光源、理想氣體等；系統(tǒng)理想模型，如保守力系統(tǒng)和絕熱系統(tǒng)等；過程理想模型，如勻速圓周運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)等。

1.2物理模型的特點(diǎn)

物理模型是抽象性和形象性的統(tǒng)一。模型的建立過程是一個(gè)抽象的過程，因而建立的模型本身必然具有直觀、形象的特點(diǎn)。物理模型是科學(xué)性和假定性的辯證統(tǒng)一。物理模型不僅再現(xiàn)了過去已經(jīng)感知過的直觀形象，而且要以先前已獲得的科學(xué)知識(shí)為依據(jù)，經(jīng)過判斷、推理等一系列邏輯上的嚴(yán)格論證，所以具有一定的科學(xué)性。同時(shí)，它來源于現(xiàn)實(shí)，又高于客觀現(xiàn)實(shí)，因而又具有一定的假定性。這種假定性只有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)格證實(shí)以后，才會(huì)轉(zhuǎn)化為科學(xué)性。

2物理模型在高中物理學(xué)習(xí)的應(yīng)用

2.1培養(yǎng)分析問題的能力

物理課堂上所研究的對象有很多都是理想模型，物理規(guī)律都和一定的理想模型相聯(lián)系，“理想推理法”是物理課堂上的重要研究方法。例如，在學(xué)習(xí)“牛頓第一定律”的時(shí)候，學(xué)生在觀察小車在不同表面上運(yùn)動(dòng)后的距離后，教師引導(dǎo)學(xué)生思考“當(dāng)小車在光滑表面上運(yùn)動(dòng)，小車會(huì)怎么運(yùn)動(dòng)”，從而得出“一切物體在不受力情況下，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變”這一定律。再比如，在研究“真空不能傳聲” 的時(shí)候，真空條件在我們物理課堂上是達(dá)不到的，所以，學(xué)生在觀察過“瓶內(nèi)氣體越少聽到的聲音越小”這一現(xiàn)象后思考“瓶內(nèi)真空狀態(tài)我們能不能聽到聲音呢？”從而得出“真空不能傳聲”。學(xué)生的分析能力的培養(yǎng)是物理學(xué)習(xí)的重要目的之一，而物理理想模型的建立有利于這一目的的實(shí)現(xiàn)。

2.2提高理解和接受能力

物理模型的建立可以提高理解和接受能力。例如：學(xué)生在學(xué)習(xí)《走進(jìn)分子世界》這一節(jié)的時(shí)候建立了物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，把抽象事物形象化。這樣，學(xué)生對微粒就有一個(gè)比較形象的認(rèn)識(shí)，為接下來分子動(dòng)理論學(xué)習(xí)打好了基礎(chǔ)，學(xué)生會(huì)更容易理解和接受分子這一概念。

2.3可對物理實(shí)體進(jìn)行理想化處理

在下落的物體進(jìn)行受力分析時(shí)我們都會(huì)忽略空氣阻力，因?yàn)橄鄬τ谖矬w重力來說空氣阻力是很小的，對物體下落的實(shí)際情況影響很小。再比如，在研究滑輪組做功的機(jī)械效率的時(shí)候，我們都會(huì)忽略繩重和繩與滑輪之間的摩擦，因?yàn)橄鄬τ谖矬w和動(dòng)滑輪重力來說繩重和繩與滑輪之間的摩擦是很小的，可以忽略。所以，這樣理想化處理問題對實(shí)際情況影響很小，并且簡便了很多。

3 物理模型的發(fā)展

3.1 物理模型的相對性

和物理學(xué)中的定理或定律一樣，物理模型也有它的適用條件和范圍，或者說物理模型具有相對性，如點(diǎn)電荷的模型，在所研究的帶電體的線度遠(yuǎn)小于它到所研究場點(diǎn)的距離時(shí)才是成立的。為說明這一點(diǎn)，我們以帶電體為例，若帶電體的半徑為R，所帶電量為q利用高斯定理求出距球r處的場強(qiáng)，這一結(jié)果與點(diǎn)電荷的場強(qiáng)表達(dá)式完全相同。在此情況下，由于r大于R，則可將具有一定半徑的球形帶電體視為位于球心處的點(diǎn)電荷，但當(dāng)r趨于零時(shí)，利用點(diǎn)電荷場強(qiáng)公式求出的場強(qiáng)則趨于無限大，這顯然是不對的。為什么呢？這是因?yàn)槲覀兯⒌狞c(diǎn)電荷模型是一宏觀模型，它不適于微觀領(lǐng)域。再者當(dāng)r趨于零時(shí)，帶電體不能再看作點(diǎn)電荷，這是應(yīng)當(dāng)考慮帶電球體的線度。考慮了帶電體的線度以后，點(diǎn)電荷的模型仍能成立。同樣研究電場的性質(zhì)時(shí)，我們引用了試探電荷的模型。試探電荷與點(diǎn)電荷本質(zhì)上并無區(qū)別，但在使用上卻不相同。試探電荷在使用上與點(diǎn)電荷不同之處是試探電荷所帶電量要足夠小，以致它激發(fā)的電場對場源電荷激發(fā)的場所產(chǎn)生的影響可以忽略。由此可知，同種模型間也存在著相對性。

3.2物理模型的發(fā)展性

物理模型來源于實(shí)踐，是科學(xué)抽象的結(jié)果，在物理學(xué)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。但任何物理模型都不是一成不變的，不能說明一切問題，只是物理學(xué)發(fā)展中的產(chǎn)物。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及新實(shí)驗(yàn)事實(shí)的發(fā)現(xiàn)，原有物理模型不斷得到補(bǔ)充、修正。因此，可以說，物理模型伴隨著物理學(xué)發(fā)展過程的始終。在物理研究中，建立物理模型有利于發(fā)揮邏輯思維的作用。物理模型反映了一類事物的共同屬性，有利于我們認(rèn)識(shí)客觀事物的內(nèi)在規(guī)律性。如理想氣體模型的建立。自然界中每一種氣體的組成和性質(zhì)各不相同。但物理學(xué)家從研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)各種氣體比較稀薄時(shí)具有一些共同的規(guī)律，并從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出玻義耳定律、蓋呂薩克定律等。物理學(xué)家可以通過理想氣體模型，運(yùn)用邏輯思維把玻義耳定律等三個(gè)有關(guān)氣體的經(jīng)驗(yàn)定律統(tǒng)一起來，得到一般形式下的理想氣體狀態(tài)方程，從而為熱力學(xué)理論的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

總之，物理模型的建立和發(fā)展給物理學(xué)習(xí)與研究帶來了諸多的方便。通過對各個(gè)物理模型的積累、比較、總結(jié)，可以使學(xué)生頭腦中的各個(gè)物理模型更加清晰，形成較完整的物理模型體系，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生善于總結(jié)物理現(xiàn)象、規(guī)律異同的能力，為學(xué)生在解決實(shí)際問題時(shí)練就“去偽存真、去粗取精”的能力奠定了基礎(chǔ)。

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