淺析物理模型對物理學發展的多重作用

付淑婷

摘 要：為順應新時代下教育發展的潮流，喚醒人們對物理模型的重視，本文通過對模型概念的分析，進一步闡述了模型在物理學發展過程中的作用，并通過具體實例加以論證。

關鍵詞：物理模型;作用;物理學

前言

當今社會是一個日新月異的時代，科技與經濟迅速發展，信息和世事瞬息萬變。物理學科核心素養對學生的發展提出了多方面的要求。在這其中思維與觀念的發展則是重中之重難上加難，鍛煉思維與樹立觀念很重要的一點在于模型建構，由此我們可以看出模型有著舉足輕重的作用。我們將眼光放寬，縱觀整個物理發展史同樣離不開物理模型的推動。換句話說，一部物理學史發展其實就是一個關于模型發展變化的進化史。

1、物理模型的含義

什么是模型？模型的原是依照事物原型按比例制成的物品。錢學森先生曾給模型下過這樣的定義：“模型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因素、略去一切不是主要的因素，所創造出來的一幅圖畫”。客觀世界的現象是復雜多樣的，任何客觀事物都具有眾多的特性、不同的層次，許多本質的、非本質的聯系交織在一起，大量的偶然現象、偶然因素掩蓋著事物必然的規律和本質的因素。為深入揭示客觀事物內部的本質的規律，我們就需要基于研究的問題的對客觀事物進行簡化與理想化處理，抓住主要特征、摒棄次要因素，從而得到現實中客觀事物的映像，這就是物理模型。

2、物理模型的作用

2.1物理模型可以將原型理想化處理

物理模型是事物原型的簡化或是純化。通過對事物原型進行操作，從而抽象出所探索事物的理想化形態。任何一類物理模型，在建立的過程中都需有客觀存在的原型為依托，并依據原型本身抓住問題的主要因素，保留核心。在這里，我們不妨逆向思考，既然物理模型是事物原型進行了理想化的形態，那必然“原型的簡化”本身也是它的作用之一，換言之，物理模型正是對事物原型進行簡化，進而突出影響事物發展變化的本質聯系，最終起到使研究工作順利進行的作用。我們不妨利用具體事例說明這一點。自由落體運動，簡單說，就是一個物體從高處釋放，由靜止開始下落的運動。如果我們不建立理想化物理模型的概念，那么這個過程便不會像筆者描述的如此簡單，甚至對于它的研究，一度會變得無從下手。在實際情況中，下落的物體會受到各式各樣因素的影響，影響最大的便是重力。這是因為重力的大小會隨著小球下落過程中與地面的距離變化而產生變化，如若我們不理想化看待小球，不將其視作質點，那力的分析就不再是簡單的質量與重力加速度的乘積。不光是這一點，像空氣阻力、小球外形、地球自轉與公轉等都會對下落產生影響從而增加我們研究的難度，但正是因為模型的理想化作用，我們才得以簡化對相關問題的研究。

2.2物理模型可以透過表象解釋事物本質

在事物原型較為復雜，無法直接演示或證明定律時，利用簡化過后的物理模型，可以將原本繁瑣的過程梳理清晰，達到解釋說明現象原因的作用，使之成為說明事物變化規律的演繹器。例如利用理想氣體模型可以幫助我們更好的理解三大氣體定律;再比如利用金屬導電模型解釋歐姆定律。可能這些與我們的生活距離較遠，但放眼我們身邊的例子同可以用于論證模型的這一作用。常見的繩擺實驗，下方墜一重物讓其從鼻尖處擺動時，這一重物永遠不會打到鼻尖。那么這一現象則可以用單擺模型做出明確解釋。

2.3物理模型可以檢驗與更新已有理論

我們可以清楚的認識到模型與客觀事物之間的一種聯系：簡化與純化事物;反映與解釋事物。這一部分換一種方向，思考模型與理論之間的關系。模型與理論的關系可以認為是一種雙向建立的一個過程：從模型出發，通過對模型進行研究與探討從而建立一種理論，進一步的認識事物蘊含的物理規律，使得人們對事物的研究更透徹更貼近事實。這其實就是從模型到理論的一種更新建立過程。反過來，如果從理論（假設）出發，也是能歸納出物理模型的。為了讓大家更好的去理解這種關系，我們仍用單擺模型做出說明。伽利略通過觀察生活中常見的吊燈，注意到其擺動情況，從而抽象出單擺模型，并進一步研究，成功地發現了單擺振動等時性這一物理規律。隨著人們對單擺現象研究的深入，惠更斯在單擺模型基礎之上進一步演算出擺的周期公式。這便是從模型到理論的建立，反過來應用周期公式解決幾種復雜振動現象則是理論對模型的一種歸納，由此可見模型與理論之間的雙向關系。

2.4物理模型可以為科學發展指明方向

物理模型是原型的簡化和純化，或者換種方法說模型是原型的一種近似反映。正式由于人們在提出或形成新模型的過程中忽略了大多數的次要因素所產生的干擾，從另一面講則是突出了原型（研究對象或物理過程等）的主要特征。這一過程已經是對原有事物的一種預想，在這一基礎上進一步發揮邏輯思維的力量，可以將我們研究的問題或過程甚至研究結論超越現有的實驗水平，在思維的層面上展開研究，進一步指出研究方向或形成科學的預見。比如在固體物理的發展中，理想晶體是常常作為研究對象出現在人們的視野中，隨著應用量子力學的出現人們進一步對其進行了深入的探索，結果表明其強度比實際的金屬材料的強度高出1000倍。這使得人們意識到，通常金屬材料的強度之所以比理想晶體的強度弱可能是因為在金屬材料中存在許多缺陷。后來通過更精細的研究，人們發現了金屬結構缺陷這一問題，并進一步研究了如何減少缺陷、提高強度的方法。這就是模型預見性的一種體現。

3、結束語

模型的作用體現出其對物理發展的推動性與支持性。人們在認識與改造自然界的過程中必然是使用了多種方法，但考慮到事物主次矛盾的思維方法——模型法是眾多方法中重要且不可替代的，這種思維能力在現如今的教育中仍是教育者的付出努力的追求。通過認識模型，從而了解模型及其作用進一步建構模型形成對物理規律與概念的恰當認識，是新時代學生始終要具有的一種能力，也是新時代教師努力的方向。

參考文獻

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