物理模型理論及應用

【摘 要】本文詳細分析物理模型的分類、特點及性質。通過它在物理學發展中的作用，說明物理模型理論在物理學研究中是一種基本的、重要的方法。應用物理模型解決實際物理問題應從三個方面著手，進而揭示模型理論對物理學的學習起著至關重要的作用。

【關鍵詞】微觀模型 宏觀模型 物理模型

物理模型是同一類基礎知識、物理過程和思維過程的高度概括，是同一類問題的去粗取精、去偽存真概括出來的最本質的知識、思維、能力的結合體。運用物理模型，在物理學研究中是一種基本的重要的方法。研究和建立實際問題的物理模型，既可以更概括、更簡捷、更普遍地描述物理規律，又可以利用它去分析和解決同一類問題。對物理模型而言，一般有廣義和狹義兩種解釋。從廣義上講，物理學中的各種基本概念，如物質、長度、時間、空間都可稱作物理模型，因為它們都是以各自相應的現實原型（物理實體）為背景，加以抽象出來的最基本的物理概念。從狹義上講，只有那些反映特定問題或特定具體事物的結構才叫做物理模型，如質量、剛體、理想氣體等。它的建立以實驗為基礎，首先對理論進行抽象簡化，建立簡化模型，然后把理論研究的結論與實驗結果相比較，修正簡化模型，直至獲得與實驗結果相吻合的趨于完美的理論模型為止。物理模型雖然是從某一具體的實物原型中抽象而來，由于在它建立的過程中突出主體因素，摒棄次要因素，因而在同類物理問題的分析應用中具有普遍意義。

一、物理模型的分類及特點

1.物理模型的分類

若從分析問題的客觀實際需要出發，物理模型可分為兩類：一類是宏觀模型，它的特點是不涉及物質的微觀結構，而只研究模型本體的整體性質。如質點、點電荷即屬此類；另一類是微觀模型，它是建立在物質微觀結構假設基礎上的模型。

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，它的特點是直觀、形象，有利于清楚地認識實物。另一類是理想化的物理模型，這是在原型的基礎上，經過科學帛象而建立起來的一種研究客體，分為三種：

（1）實體物理模型，如點光源、理想氣體等。

（2）系統理想模型，如保守力系統和絕熱系統等。

（3）過程理想模型，如勻速圓周運動、自由落體運動等。

2.物理模型的特點

（1）物理模型是抽象性和形象性的統一。模型的建立過程是一個抽象的過程，因而建立的模型本身必然具有直觀、形象的特點。

（2）物理模型是科學性和假定性的辯證統一。物理模型不僅再現了過去已經感知過的直觀形象，而且要以先前已獲得的科學知識為依據，經過判斷、推理等一系列邏輯上的嚴格論證，所以具有一定的科學性。同時，它來源于現實，又高于客觀現實，因而又具有一定的假定性。這種假定性只有經過實驗的嚴格證實以后，才會轉化為科學性。

二、物理模型的實用性、相對性及發展性

1.物理模型的實用性

模型的建立是為了便于對理論的研究，它必須是合理的，必須適合已經確認的理論，而且能夠更好地反映實體的根本屬性和能被實驗所驗證。因此，模型必須具有現實的實用性。對一般的帶電體，我們可以采取無限分割的方法進行處理，而每一小份都可以看作點電荷。應用庫侖定律和在庫侖定律基礎上推導出來的點電荷場強公式，即可求出點電荷在空間所激發場強的分布，進而求出場力。根據迭加原理，可以求出帶電體所帶電荷在空間激發的總場和對置于場中的電荷的總作用力。由此可見，點電荷這一模型反映了一般帶電體的根本屬性，因而點電荷模型不僅具有典型性，而且是精確的，有著廣泛的實用性。

2.物理模型的相對性

和物理學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，如點電荷的模型，在所研究的帶電體的線度遠小于它到所研究場點的距離時才是成立的。為說明這一點，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，這一結果與點電荷的場強表達式完全相同。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電荷，但當r趨于零時，利用點電荷場強公式求出的場強則趨于無限大，這顯然是不對的。為什么呢？這是因為我們所建立的點電荷模型是一宏觀模型，它不適于微觀領域。再者當r趨于零時，帶電體不能再看作點電荷，這是應當考慮帶電球體的線度。考慮了帶電體的線度以后，點電荷的模型仍能成立。同樣研究電場的性質時，我們引用了試探電荷的模型。試探電荷與點電荷本質上并無區別，但在使用上卻不相同。試探電荷在使用上與點電荷不同之處是試探電荷所帶電量要足夠小，以致它激發的電場對場源電荷激發的場所產生的影響可以忽略。由此可知，同種模型間也存在著相對性。

3.物理模型的發展性

物理模型來源于實踐，是科學抽象的結果，在物理學發展中發揮著重要作用。但任何物理模型都不是一成不變的，不能說明一切問題，只是物理學發展中的產物。隨著科學技術的發展及新實驗事實的發現，原有物理模型不斷得到補充、修正。因此，可以說，物理模型伴隨著物理學發展過程的始終。

三、物理模型在物理學發展中的作用

在物理研究中，建立物理模型有利于發揮邏輯思維的作用。而且，物理模型反映了一類事物的共同屬性，所以有利于我們認識客觀事物的內在規律性。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各不相同。但物理學家從研究中發現，當各種氣體比較稀薄時具有一些共同的規律，并從實驗中總結出玻義耳定律、蓋呂薩克定律等。他們還發現氣體愈是忽略各種氣體的分子量、液化點等的不同，忽略氣體分子之間的相互作用力，就能得到一種現實中并不存在，但以現實存在為基礎，且能反映氣體狀態變化規律的理想氣體。理想氣體嚴格遵守玻義耳定律等。這樣物理學家就可以通過理想氣體模型，運用邏輯思維把玻義耳定律等三個有關氣體的經驗定律統一起來，得到一般形式下的理想氣體狀態方程，從而為熱力學理論的發展奠定了基礎。物理模型還是建立物理學理論的基礎之一，譬如范德瓦耳斯氣體模型。

四、物理模型的應用

應用物理模型解決實際問題時應從以下三個方面入手。第一，要正確構建物理模型，構建物理模型要從實際著手，以理論為基礎，在對實際問題抽象概括時，抓住本質，力爭形象具體地反映實際物理現象；第二，對物理模型進行類化，根據物理模型的種類進行類比量化；第三，對物理模型進行移植，凡是物理現象相同的問題都可以用同一或類似模型進行處理，處理時要善于知識的嫁接。

在物理教學中，學生常常反映物理難學，其中一個很重要的原因就是對題目中的物理過程不理解，不能把題目中的過程和物體抽象成模型。其實千變萬化的物理試題都是根據一定的物理模型編擬出來的，而解題的過程就是“還原”物理模型的過程。我們遇到的許多新模型，常常是在舊模型的基礎上發展或演變而來的。因此，在平時教學中我們要注意抓好物理模型的教學，從而有效地提高學生構建物理模型、解決實際問題的能力。

(作者單位：山東濟寧市技術學院）