物理模型理论及应用

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　　【摘 要】本文详细分析物理模型的分类、特点及性质。通过它在物理学发展中的作用，说明物理模型理论在物理学研究中是一种基本的、重要的方法。应用物理模型解决实际物理问题应从三个方面着手，进而揭示模型理论对物理学的学习起着至关重要的作用。
　　【关键词】微观模型 宏观模型 物理模型
　　
　　物理模型是同一类基础知识、物理过程和思维过程的高度概括，是同一类问题的去粗取精、去伪存真概括出来的最本质的知识、思维、能力的结合体。运用物理模型,在物理学研究中是一种基本的重要的方法。研究和建立实际问题的物理模型，既可以更概括、更简捷、更普遍地描述物理规律，又可以利用它去分析和解决同一类问题。对物理模型而言，一般有广义和狭义两种解释。从广义上讲，物理学中的各种基本概念，如物质、长度、时间、空间都可称作物理模型，因为它们都是以各自相应的现实原型（物理实体）为背景，加以抽象出来的最基本的物理概念。从狭义上讲，只有那些反映特定问题或特定具体事物的结构才叫做物理模型，如质量、刚体、理想气体等。它的建立以实验为基础，首先对理论进行抽象简化，建立简化模型，然后把理论研究的结论与实验结果相比较，修正简化模型，直至获得与实验结果相吻合的趋于完美的理论模型为止。物理模型虽然是从某一具体的实物原型中抽象而来，由于在它建立的过程中突出主体因素，摒弃次要因素，因而在同类物理问题的分析应用中具有普遍意义。
　　
　　一、物理模型的分类及特点
　　
　　1.物理模型的分类
　　若从分析问题的客观实际需要出发，物理模型可分为两类：一类是宏观模型，它的特点是不涉及物质的微观结构，而只研究模型本体的整体性质。如质点、点电荷即属此类；另一类是微观模型，它是建立在物质微观结构假设基础上的模型。
　　若从物理型本体来划分亦可分为两类：一类是模拟式物理模型，它的特点是直观、形象，有利于清楚地认识实物。另一类是理想化的物理模型，这是在原型的基础上，经过科学帛象而建立起来的一种研究客体，分为三种：
　　（1）实体物理模型，如点光源、理想气体等。
　　（2）系统理想模型，如保守力系统和绝热系统等。
　　（3）过程理想模型，如匀速圆周运动、自由落体运动等。
　　2.物理模型的特点
　　（1）物理模型是抽象性和形象性的统一。模型的建立过程是一个抽象的过程，因而建立的模型本身必然具有直观、形象的特点。
　　（2）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，而且要以先前已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，所以具有一定的科学性。同时，它来源于现实，又高于客观现实，因而又具有一定的假定性。这种假定性只有经过实验的严格证实以后，才会转化为科学性。
　　
　　二、物理模型的实用性、相对性及发展性
　　
　　1.物理模型的实用性
　　模型的建立是为了便于对理论的研究，它必须是合理的，必须适合已经确认的理论，而且能够更好地反映实体的根本属性和能被实验所验证。因此，模型必须具有现实的实用性。对一般的带电体，我们可以采取无限分割的方法进行处理，而每一小份都可以看作点电荷。应用库仑定律和在库仑定律基础上推导出来的点电荷场强公式，即可求出点电荷在空间所激发场强的分布，进而求出场力。根据迭加原理，可以求出带电体所带电荷在空间激发的总场和对置于场中的电荷的总作用力。由此可见，点电荷这一模型反映了一般带电体的根本属性，因而点电荷模型不仅具有典型性，而且是精确的，有着广泛的实用性。
　　2.物理模型的相对性
　　和物理学中的定理或定律一样，物理模型也有它的适用条件和范围，或者说物理模型具有相对性，如点电荷的模型，在所研究的带电体的线度远小于它到所研究场点的距离时才是成立的。为说明这一点，我们以带电体为例，若带电体的半径为R，所带电量为q利用高斯定理求出距球r处的场强，这一结果与点电荷的场强表达式完全相同。在此情况下，由于r大于R，则可将具有一定半径的球形带电体视为位于球心处的点电荷，但当r趋于零时，利用点电荷场强公式求出的场强则趋于无限大，这显然是不对的。为什么呢？这是因为我们所建立的点电荷模型是一宏观模型，它不适于微观领域。再者当r趋于零时，带电体不能再看作点电荷，这是应当考虑带电球体的线度。考虑了带电体的线度以后，点电荷的模型仍能成立。同样研究电场的性质时，我们引用了试探电荷的模型。试探电荷与点电荷本质上并无区别，但在使用上却不相同。试探电荷在使用上与点电荷不同之处是试探电荷所带电量要足够小，以致它激发的电场对场源电荷激发的场所产生的影响可以忽略。由此可知，同种模型间也存在着相对性。
　　3.物理模型的发展性
　　物理模型来源于实践，是科学抽象的结果，在物理学发展中发挥着重要作用。但任何物理模型都不是一成不变的，不能说明一切问题，只是物理学发展中的产物。随着科学技术的发展及新实验事实的发现，原有物理模型不断得到补充、修正。因此，可以说，物理模型伴随着物理学发展过程的始终。
　　
　　三、物理模型在物理学发展中的作用
　　
　　在物理研究中，建立物理模型有利于发挥逻辑思维的作用。而且，物理模型反映了一类事物的共同属性，所以有利于我们认识客观事物的内在规律性。如理想气体模型的建立。自然界中每一种气体的组成和性质各不相同。但物理学家从研究中发现，当各种气体比较稀薄时具有一些共同的规律，并从实验中总结出玻义耳定律、盖吕萨克定律等。他们还发现气体愈是忽略各种气体的分子量、液化点等的不同，忽略气体分子之间的相互作用力，就能得到一种现实中并不存在，但以现实存在为基础，且能反映气体状态变化规律的理想气体。理想气体严格遵守玻义耳定律等。这样物理学家就可以通过理想气体模型，运用逻辑思维把玻义耳定律等三个有关气体的经验定律统一起来，得到一般形式下的理想气体状态方程，从而为热力学理论的发展奠定了基础。物理模型还是建立物理学理论的基础之一，譬如范德瓦耳斯气体模型。
　　
　　四、物理模型的应用
　　
　　应用物理模型解决实际问题时应从以下三个方面入手。第一，要正确构建物理模型，构建物理模型要从实际着手，以理论为基础，在对实际问题抽象概括时，抓住本质，力争形象具体地反映实际物理现象；第二，对物理模型进行类化，根据物理模型的种类进行类比量化；第三，对物理模型进行移植，凡是物理现象相同的问题都可以用同一或类似模型进行处理，处理时要善于知识的嫁接。
　　在物理教学中，学生常常反映物理难学，其中一个很重要的原因就是对题目中的物理过程不理解，不能把题目中的过程和物体抽象成模型。其实千变万化的物理试题都是根据一定的物理模型编拟出来的，而解题的过程就是“还原”物理模型的过程。我们遇到的许多新模型，常常是在旧模型的基础上发展或演变而来的。因此，在平时教学中我们要注意抓好物理模型的教学，从而有效地提高学生构建物理模型、解决实际问题的能力。
　　(作者单位：山东济宁市技术学院）

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