淺談物理模型

摘 要： 物理模型是物理思想的產物，是科學地進行物理思維并從事物理研究的一種方法。本文從中學常見的物理模型的種類、理模型特點、物理模型的地位和主要功能等方面分析物理模型。

關鍵詞： 物理模型 種類 特點 地位 功能

模型，意思是尺度、樣本、標準。錢學森給模型下了這樣的定義：“模型就是通過對問題現象的分解，利用我們考慮得來的原理吸收一切主要的因素，略去一切不主要的因素，所創造出來的一幅圖畫……”

一、中學常見的物理模型的種類

物理模型是物理思想的產物，是科學地進行物理思維并從事物理研究的一種方法。就中學物理中常見的物理模型，可歸納如下：

（一）物理對象模型化。物理中的某些客觀實體，如質點，舍去物體的形狀、大小、轉動等性能，突出它所處的位置和質量的特性，用一有質量的點來描繪，這是對實際物體的簡化。當物體本身的大小在所研究的問題中可以忽略，也能當做質點來處理。類似質點的客觀實體還有剛體、點電荷、薄透鏡、彈簧振子、單擺、理想氣體、理想電流表、理想電壓表等。

（二）物體所處的條件模型化。當研究帶電粒子在電場中運動時，因粒子所受的重力遠小于電場力，可以舍去重力的作用，使問題得到簡化。力學中的光滑面；熱學中的絕熱容器、電學中的勻強電場、勻強磁場等，都是把物體所處的條件理想化了。

（三）物理狀態和物理過程的模型化。例如，力學中的自由落體運動、勻速直線運動、簡諧運動、彈性碰撞；電學中的穩恒電流、等幅振蕩；熱學中的等溫變化、等容變化、等壓變化等都是物理過程和物理狀態的模型化。

（四）理想化實驗。在實驗的基礎上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，根據邏輯推理法則，對過程進一步分析、推理，找出其規律。例如，伽利略的理想實驗為牛頓第一定律的產生奠定了基礎。

（五）物理中的數學模型。客觀世界的一切規律原則上都可以在數學中找到它們的表現形式。在建造物理模型的同時，也在不斷地建造表現物理狀態及物理過程規律的數學模型。當然，由于物理模型是客觀實體的一種近似，以物理模型為描述對象的數學模型，也只能是客觀實體的近似的定量描述。

二、物理模型特點

（一）物理模型是抽象性和形象性的統一。物理模型的建立是舍棄次要因素，把握主要因素，化復雜為簡單，完成由現象到本質、由具體到抽象的過程，而模型的本身又具有直觀形象的特點。

（二）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，具有深刻的理論基礎，即具有一定的科學性。理想模型來源于現實，又高于現實，是抽象思維的結果，所以又具有一定的假定性，只有經過實驗證實了以后才被認可，才有可能發展為理論。

三、物理模型的地位和主要功能

（一）物理模型的在物理學中占有重要的地位。從某種意義上說，物理學的發展過程可以說是一個不斷建立模型、運用模型和修正模型的過程。譬如，在人類認識宇宙的過程中，早期有托勒密的地心說宇宙模型，他在《天文學大全》一書中，認為地球是宇宙的中心，靜止不動，而太陽及其他群星繞地球運動，這顯然是不對的，后來被哥白尼的日心說代替。哥白尼的日新說是以太陽為中心的宇宙理論，但是哥白尼的天體模型只是部分反映客觀世界的真實情況，事實上行星的運動軌道并非圓形，開普勒在第谷的精確觀測的基礎上，提出了正確的天體模型，指出了行星軌道是一個橢圓，太陽位于一個焦點上，該模型被天文觀測所證實。牛頓一方面運用開普勒的行星運動的太陽系模型，另一方面運用數學方法，證明了一個球體吸引它外面的物體時，它們的質量就好像都集中在它們各自的中心一樣，太陽系中的所有星球可視為有質量而無形狀與大小的質點，當然也可把宇宙萬物視為質點，牛頓首先發現了萬有引力定律。

通過對物理學的學習，不難發現，質點模型和電磁學中的點電荷模型是萬有引力定律、牛頓定律、庫侖定律、洛倫磁力公式等基本規律，以及質點力學等基本理論賴以建立的基礎。實際上，物理學很多基本規律和基本理論的建立，往往都是以能揭示事物本質特征的某種簡化模型為基礎的。而由于研究對象和所涉及問題的復雜性，物理模型種類繁多，各具特色。除了點電荷和質點外，剛體、理想彈性體、理想氣體、連續介質、理想導體、理想電解質（絕緣體）、核模型等都是。它們從不同側面描述和揭示在各種問題中實際物體的特征，所以可以這樣說，各種物理模型的建立和發展是物理學深度和廣度發展的重要標志。

（二）物理模型在促進物理教學中的重要作用。

1.建立和正確使用物理模型可以提高學生理解和接受新知識的能力。例如，我們在運動學中建立了“質點”模型，學生對這一模型有了充分的認識和足夠的理解，為以后學習質點的運動、萬有引力定律、物體的平動和轉動，以及電學中的“點電荷”模型、光學中的“點光源”模型等奠定了良好的基礎。使學生學習這些新知識時容易理解和接受。

2.建立和正確使用物理模型有利于學生將復雜問題簡單化、明了化，使抽象的物理問題更直觀、具體、形象、鮮明，突出了事物間的主要矛盾。

3.建立和正確使用物理模型對學生的思維發展、解題能力的提高起著重要的作用。可以把復雜隱含的問題化繁為簡、化難為易，收到事半功倍的效果。每一個物理過程的處理，物理模型的建立，都離不開對物理問題的分析。教學中，通過對物理模型的設計思想及分析思路的教學，能培養學生對較復雜的物理問題進行具體分析，區分主要因素和次要因素，抓住問題的本質特征，正確運用科學抽象思維的方法解決物理問題的能力，有助于學生思維品質的提高，有助于學生掌握物理學的研究方法。

4.教會學生正確的物理思維方法。正確的思維方法是提高思維能力的基礎，由于年齡的關系，學生一般多注意知識的學習，并不關心自己的思維方法是否正確，也不懂不同階段的學習對思維方法有不同要求，更不能自覺地糾正一些不正確的思維方法，這就影響了思維發展。因此，指導學生運用正確的思維方法是很重要的。

錯誤的思維方法會嚴重影響學生對物理概念、物理規律和物理過程的分析和理解。在理想模型的建立和分析的教學過程中，要摸清學生各種錯誤的思維方法，及時予以糾正。例如，學生受了絕對化的片面思維方法的影響，不理解物理學中采用的理想化的思維方法，以為理想化不精確，脫離實際，有時對教師導出的某公式所采用的近似方法表示不可理解，在實驗中追求百分之百的精確度。糾正這類思想的方法是指出理想化的普遍性和可靠性，說明理想化方法是突出事物的主要性質和影響物質變化的主要方面。它可以使問題的處理大大簡化，又不會與實際產生大的偏差，為物理研究過程所普遍采用，許多定律都有理想化的研究對象和理想化的條件。在教學中近似處理問題時，要以具體數字說明近似處理后不會產生大的偏差。 這樣能促進學生能力的提高，也提示學生應用同樣的方法處理問題。