浅谈物理模型

【摘要】（一）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。当物体本...

摘 要： 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。本文从中学常见的物理模型的种类、理模型特点、物理模型的地位和主要功能等方面分析物理模型。

关键词： 物理模型 种类 特点 地位 功能

模型，意思是尺度、样本、标准。钱学森给模型下了这样的定义：“模型就是通过对问题现象的分解，利用我们考虑得来的原理吸收一切主要的因素，略去一切不主要的因素，所创造出来的一幅图画……”

一、中学常见的物理模型的种类

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。就中学物理中常见的物理模型，可归纳如下：

（一）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。当物体本身的大小在所研究的问题中可以忽略，也能当做质点来处理。类似质点的客观实体还有刚体、点电荷、薄透镜、弹簧振子、单摆、理想气体、理想电流表、理想电压表等。

（二）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。力学中的光滑面；热学中的绝热容器、电学中的匀强电场、匀强磁场等，都是把物体所处的条件理想化了。

（三）物理状态和物理过程的模型化。例如，力学中的自由落体运动、匀速直线运动、简谐运动、弹性碰撞；电学中的稳恒电流、等幅振荡；热学中的等温变化、等容变化、等压变化等都是物理过程和物理状态的模型化。

（四）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，伽利略的理想实验为牛顿第一定律的产生奠定了基础。

（五）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。当然，由于物理模型是客观实体的一种近似，以物理模型为描述对象的数学模型，也只能是客观实体的近似的定量描述。

二、物理模型特点

（一）物理模型是抽象性和形象性的统一。物理模型的建立是舍弃次要因素，把握主要因素，化复杂为简单，完成由现象到本质、由具体到抽象的过程，而模型的本身又具有直观形象的特点。

（二）物理模型是科学性和假定性的辩证统一。物理模型不仅再现了过去已经感知过的直观形象，而且要以先前获得的科学知识为依据，经过判断、推理等一系列逻辑上的严格论证，所以，具有深刻的理论基础，即具有一定的科学性。理想模型来源于现实，又高于现实，是抽象思维的结果，所以又具有一定的假定性，只有经过实验证实了以后才被认可，才有可能发展为理论。

三、物理模型的地位和主要功能

（一）物理模型的在物理学中占有重要的地位。从某种意义上说，物理学的发展过程可以说是一个不断建立模型、运用模型和修正模型的过程。譬如，在人类认识宇宙的过程中，早期有托勒密的地心说宇宙模型，他在《天文学大全》一书中，认为地球是宇宙的中心，静止不动，而太阳及其他群星绕地球运动，这显然是不对的，后来被哥白尼的日心说代替。哥白尼的日新说是以太阳为中心的宇宙理论，但是哥白尼的天体模型只是部分反映客观世界的真实情况，事实上行星的运动轨道并非圆形，开普勒在第谷的精确观测的基础上，提出了正确的天体模型，指出了行星轨道是一个椭圆，太阳位于一个焦点上，该模型被天文观测所证实。牛顿一方面运用开普勒的行星运动的太阳系模型，另一方面运用数学方法，证明了一个球体吸引它外面的物体时，它们的质量就好像都集中在它们各自的中心一样，太阳系中的所有星球可视为有质量而无形状与大小的质点，当然也可把宇宙万物视为质点，牛顿首先发现了万有引力定律。

通过对物理学的学习，不难发现，质点模型和电磁学中的点电荷模型是万有引力定律、牛顿定律、库仑定律、洛伦磁力公式等基本规律，以及质点力学等基本理论赖以建立的基础。实际上，物理学很多基本规律和基本理论的建立，往往都是以能揭示事物本质特征的某种简化模型为基础的。而由于研究对象和所涉及问题的复杂性，物理模型种类繁多，各具特色。除了点电荷和质点外，刚体、理想弹性体、理想气体、连续介质、理想导体、理想电解质（绝缘体）、核模型等都是。它们从不同侧面描述和揭示在各种问题中实际物体的特征，所以可以这样说，各种物理模型的建立和发展是物理学深度和广度发展的重要标志。

（二）物理模型在促进物理教学中的重要作用。

1.建立和正确使用物理模型可以提高学生理解和接受新知识的能力。例如，我们在运动学中建立了“质点”模型，学生对这一模型有了充分的认识和足够的理解，为以后学习质点的运动、万有引力定律、物体的平动和转动，以及电学中的“点电荷”模型、光学中的“点光源”模型等奠定了良好的基础。使学生学习这些新知识时容易理解和接受。

2.建立和正确使用物理模型有利于学生将复杂问题简单化、明了化，使抽象的物理问题更直观、具体、形象、鲜明，突出了事物间的主要矛盾。

3.建立和正确使用物理模型对学生的思维发展、解题能力的提高起着重要的作用。可以把复杂隐含的问题化繁为简、化难为易，收到事半功倍的效果。每一个物理过程的处理，物理模型的建立，都离不开对物理问题的分析。教学中，通过对物理模型的设计思想及分析思路的教学，能培养学生对较复杂的物理问题进行具体分析，区分主要因素和次要因素，抓住问题的本质特征，正确运用科学抽象思维的方法解决物理问题的能力，有助于学生思维品质的提高，有助于学生掌握物理学的研究方法。

4.教会学生正确的物理思维方法。正确的思维方法是提高思维能力的基础，由于年龄的关系，学生一般多注意知识的学习，并不关心自己的思维方法是否正确，也不懂不同阶段的学习对思维方法有不同要求，更不能自觉地纠正一些不正确的思维方法，这就影响了思维发展。因此，指导学生运用正确的思维方法是很重要的。

错误的思维方法会严重影响学生对物理概念、物理规律和物理过程的分析和理解。在理想模型的建立和分析的教学过程中，要摸清学生各种错误的思维方法，及时予以纠正。例如，学生受了绝对化的片面思维方法的影响，不理解物理学中采用的理想化的思维方法，以为理想化不精确，脱离实际，有时对教师导出的某公式所采用的近似方法表示不可理解，在实验中追求百分之百的精确度。纠正这类思想的方法是指出理想化的普遍性和可靠性，说明理想化方法是突出事物的主要性质和影响物质变化的主要方面。它可以使问题的处理大大简化，又不会与实际产生大的偏差，为物理研究过程所普遍采用，许多定律都有理想化的研究对象和理想化的条件。在教学中近似处理问题时，要以具体数字说明近似处理后不会产生大的偏差。 这样能促进学生能力的提高，也提示学生应用同样的方法处理问题。