物理学中的理想模型及其应用.pdf

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1、万方数据Vbl．6No．2(2001)甘青高奸子积第6卷第2期(2001)物理学中的理想模型及其应用刘仰魁李创军张之麒张相武(庆阳师范高等专科学校物理系，甘肃西峰745000)摘要：对物理学中应用抽象方法建立理想模型的原则、理想模型的分类以及理想模型在物理学研究和教学中的作用等问题进行了较全面的论述．关键词：理想物理模型本质特征科学抽象方法中图分类号：0411．3文献标识码：A文章编号：1008—9020(2∞1)02—034-04物理学研究的是物体运动最基本最普遍的形式，包括机械运动、分于热运动、电磁运动、原子及原子内部微观粒子的运动等．由于自然界物质种类繁多，运动错综复

2、杂，相互作用的物理过程常包含许多矛盾，且各具特征，几乎任何一个具体问题都会牵涉到诸多因素．因此，物理学家在研究自然现象探索客观规律的过程中，通过观察、实验、抽象、假设等研究方法，建立了物理学理论．本文拟将物理学中应用抽象方法建立的理想物理模型及其在物理学研究以及教学中的广泛应用作一简要论述，以使人们受到启迪，进而不断运用科学抽象方法，建立更合理的模型，以便更好地推动物理学研究．1．理想物理模型建立的原则及其分类著名物理学大师开尔文曾说过，在没有给研究对象建立起一个力学模型之前，我是永远都不会满足的，如果我能成功地建立起一个模型，我就能理解它，否则，我就不能．这说明建立和应用

3、物理模型是创立物理科学理论的有力武器．我国著名的科学家钱学森曾说：“模型就是通过对问题观察的分解，利用我们考究得来的原理，吸收一切主要因素，略去一切不主要因素所创造出来的一幅图画⋯⋯”这就是说，理想物理模型的建立必须根据问题内容的性质和研究的重点突出原型的本质特征，抓其最主要的起决定作用的因素，忽略次要的局部的非本质的因素，在一定的条件下，把复杂的客观研究对象简化和近似化，抽象为最简单的可用一个足以表征其主要性能的理想化模型来表示．这个理想物理模型不再是原来包含多种因素的客观研究对象，而是它原型的近似反映，它代表了原型最主要的最令人感兴趣的东西．这样我们就抓住了问题的主要方

4、面而不被次要方面所混淆，从而便于研究并准确简明地用一个与实际情况差距极小的理想物理模型对客观研究对象的主要矛盾进行规律性描述，得出最主要的结论．尽管建立理想模型的条件不是绝对的，而是相对的，但所选择的模型必须如实地反映所研究对象起主要作用的那些性质．同一客观研究对象，在不同研究重点和目的下所建立的物理模型是不同的，只有满足所要研究的问题的性质而建立的理想模型才可代替实际研究对象．理想物理模型是理性思维的产物，是根据理论研究工作的需要抽象出来的，绝不是随心所欲的塑造．正确合理的模型的建立、修正、适用范围的确定乃至取弃存亡都应以用该模型所得结论是否与实际相符为依据、在研究客观对

5、象的过程中，由于研究的对象和所涉及问题的复杂多样，虽然抽象出来的物理模型较多，各具特色，但细分析模型的来源大致可归纳为以下几类：(1)实体理想化模型．尽管世界上各种物质的性质千差万别，但是在一定条件和目的下，可集中突出某一类客观实体的本质，抓其主要特征，忽略非主要因素，把客观实体近似化理想化，抽象为一个足以表征其主要特征的理想物理模型．这类模型如质点、刚体、单摆、点电荷、纯电阻、纯电感、纯电容、·34·万方数据第6卷第2期(2001)刘仰魁等：物理学中的理想模型及其应用V乩6No．2(2001)理想变压器、点光源、线光源、薄透镜、无限长载流螺线管、无限长载流直导线、无限大均

6、匀带电平面、简谐波等；理想化的物理空间如直线、平面、光滑面、匀强电场、匀强磁场等；理想化的物理仪器如伏特表(内阻无穷大)、安培表(内阻为零)、恒压源(内阻为零)、恒流源(内阻无穷大)等．(2)过程理想化模型．自然界中的物质，从宇宙天体到分子、原子、基本粒子，从核力场、电磁场到引力场，无不处于永恒的运动变化之中．物质运动形式多样，过程复杂．物理过程含矛盾多，各具特征．为了描述某一主要运动状态，寻找运动规律，可以忽略次要因素，抓主要矛盾，将一些复杂物理过程抽象为较简单且理想化的物理运动形式，获得基本规律．如自由落体运动是忽略了空气阻力和高度变化对重力加速度的影响等次要因素而提炼

7、i=f{来的，简谐振动是忽略阻尼作用而简化出的一种等幅振动．这类模型还有匀速直线运动、匀速圆周运动、准静态、静止状态、绝热过程、平衡状态、热动平衡态、等温过程、等压过程、可逆过程等．(3)系统理想化模型．虽然宇宙包罗万象，事物千变万化，但是物理学家总是在不断探索用简单化理想化的模型去描述它、研究它．在研究复杂的物理系统时，将影响描述系统内的物体及物体与物体之间的次要因素忽略不计，而抓主要矛盾，抓能反映主要本质的因素，将系统理想化，得出更具代表性的规律，进而研究实际系统．这类模型有理想气体、理想流体、完全弹性碰撞、非