趙穎姝

摘要：物理模型，是一種理想化的物理形態(tài).科學(xué)家進(jìn)行理論研究時(shí)，通常都要從構(gòu)造模型入手，利用抽象、理想化、簡(jiǎn)化、類比等手法，把研究對(duì)象的本質(zhì)特征抽象出來(lái)，構(gòu)成一個(gè)概念、實(shí)物或運(yùn)動(dòng)過(guò)程的體系，即形成模型.由于物理學(xué)所分析和研究的實(shí)際問(wèn)題較復(fù)雜，所以，無(wú)論是做物理研究還是理論學(xué)習(xí)，理想模型都是必不可少的.

關(guān)鍵詞：理想模型；抽象思維；模型作用

縱觀物理學(xué)發(fā)展的歷史，建立理想化模型，是簡(jiǎn)化物理學(xué)研究的重要手段.隨著物理學(xué)的發(fā)展，物理模型越來(lái)越受到人們的重視，它促進(jìn)了物理規(guī)律、理論的發(fā)展，推動(dòng)了物理學(xué)向新的領(lǐng)域擴(kuò)展.

1理想模型

為了便于著手分析與研究，物理學(xué)中常常采用“簡(jiǎn)化”的方法，對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)抽象的處理，抓住主要因素，忽略次要因素，得出一種能反映原物本質(zhì)特性的理想物質(zhì)（過(guò)程）或假想結(jié)構(gòu)，這種理想物質(zhì)（過(guò)程）或假想結(jié)構(gòu)稱之為物理理想模型.理想模型是一種理想化的研究對(duì)象，如力學(xué)中的質(zhì)點(diǎn)、光滑面、斜面實(shí)驗(yàn)、彈簧振子、連續(xù)介質(zhì)、理想流體，熱學(xué)中的理想氣體、孤立系統(tǒng)，電磁學(xué)中的點(diǎn)電荷、試探電荷、勻強(qiáng)電場(chǎng)、純電阻、純電感、純電容、無(wú)限長(zhǎng)螺線管、理想變壓器，光學(xué)中的光源、光線與光的直線傳播、薄透鏡，近代物理中的黑體等.

2構(gòu)建理想模型的基本原則

2.1提出問(wèn)題的主要因素，忽略問(wèn)題的次要因素

物理學(xué)所研究的對(duì)象往往是比較復(fù)雜的，受許多因素影響，有的是主要因素，有的是次要因素.為了使物理問(wèn)題簡(jiǎn)單化，以便于直觀分析，我們往往對(duì)所研究的客體進(jìn)行簡(jiǎn)化.忽略次要因素，抓住所研究問(wèn)題的主要因素，建立理想模型.例如對(duì)于實(shí)際氣體的研究，我們把氣體分子看作彈性小球，分子之間的碰撞就是彈性碰撞，并且碰撞的持續(xù)時(shí)間小到可以忽略不計(jì)，除碰撞瞬間外，氣體分子間相互作用力可以忽略.這樣，這樣就把實(shí)際氣體抽象為理想氣體.即理想氣體是真實(shí)氣體在壓強(qiáng)不太大（與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相比），溫度不太低（與常溫相比）的條件下的近似.

2.2構(gòu)建的理想模型要盡可能簡(jiǎn)潔

早在十七世紀(jì)，意大利物理學(xué)家伽利略在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上忽略了空氣阻力等一些次要因素，建立了自由落體的理想模型，從而得出自由落體的運(yùn)動(dòng)公式h=1/2gt2，這體現(xiàn)了物理學(xué)研究的簡(jiǎn)潔美.

2.3選擇理想模型要根據(jù)研究問(wèn)題的需要而定

一個(gè)物體或物理過(guò)程被抽象為何種理想模型不是一成不變的，而是要根據(jù)所研究的問(wèn)題的需要而定.例如，研究地球繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于地球直徑跟它繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道直徑相比小得很多，地球各部分運(yùn)動(dòng)狀態(tài)沒(méi)有多大差別，因此可把地球看作質(zhì)點(diǎn)；研究地球自轉(zhuǎn)時(shí)，地球各部分運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有很大差別.此時(shí)地球不能看作質(zhì)點(diǎn).例如，當(dāng)研究火車的運(yùn)動(dòng)從上海到廣州需要多長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，可以忽略其長(zhǎng)度將其看作質(zhì)點(diǎn)，而當(dāng)研究它在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)過(guò)一個(gè)電線桿、某個(gè)山洞或某座橋需要多長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，就不能將其看成質(zhì)點(diǎn).

人們?cè)谘芯抗獾谋拘詴r(shí)，光的電磁假說(shuō)不能解釋“光電效應(yīng)”現(xiàn)象.這時(shí)愛(ài)因斯坦在普朗克量子論的基礎(chǔ)上，又提出了光子假說(shuō).他認(rèn)為光是由一份一份具有一定質(zhì)量、能量和動(dòng)量的粒子所組成的粒子流.這種粒子稱為光子.愛(ài)因斯坦提出了光子理想化模型.能很好地解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象，從而使量子理論向前推進(jìn)了一大步.

因此，解決物理問(wèn)題時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體問(wèn)題選擇理想模型.

3構(gòu)建理想化模型應(yīng)注意的問(wèn)題

第一，構(gòu)建理想模型是否會(huì)破壞所研究的對(duì)象；

第二，分離出來(lái)的主要因素與作為整體一部分的因素是否有較大差別；

第三，抽象后的模型能否進(jìn)一步的反映實(shí)際的物理現(xiàn)象及規(guī)律.

因此構(gòu)建理想模型必須要有正確的方法和完整的操作過(guò)程.

科學(xué)抽象在建立物理學(xué)中的理想模型時(shí)起著至關(guān)重要的作用.科學(xué)抽象一般分為表征性和原理性兩類：表征性抽象，它所包括的是事物的表面特征，比如物體形狀和大小，顏色、重量、波長(zhǎng)等；原理性抽象，概括的是事物的內(nèi)在因果關(guān)系和規(guī)律性聯(lián)系.例如，庫(kù)侖定律和萬(wàn)有引力定律，光的反射、折射定律等，這些規(guī)律都是基于科學(xué)原理構(gòu)建了一些理想化模型，如點(diǎn)電荷和質(zhì)點(diǎn)，才得出的，它們是科學(xué)抽象的結(jié)果.

構(gòu)建理想模型的一般方法是：

（1）分析影響實(shí)際問(wèn)題的因素；

（2）比較各因素在研究問(wèn)題中的作用；

（3）忽略影響問(wèn)題的次要因素.

4理想化模型分類及其特征

4.1理想化模型分類

4.1.1事物本身的理想化

即把所研究的事物本身作為理想化的客體.如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、點(diǎn)光源、光滑平面等等，這些理想化模型就是實(shí)際物體在某種條件下的近似和抽象.

4.1.2物理過(guò)程的理想化

自然界中各種事物的運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程都是極其復(fù)雜的.根據(jù)所研究問(wèn)題的性質(zhì)和需要，忽略過(guò)程的次要因素，只保留過(guò)程的主要因素，把物理過(guò)程理想化，就得到了理想過(guò)程.如勻速直線運(yùn)動(dòng)、拋體運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，理想氣體狀態(tài)變化等等，都是理想化過(guò)程.

4.2理想化模型的特征

4.2.1抽象性

理想化模型是經(jīng)過(guò)科學(xué)家抽象而建立起來(lái)的一種理想狀態(tài)，具有科學(xué)的抽象性.它本身是一種科學(xué)概念，但不同于一般的抽象概念，是形象思維的結(jié)晶，是建立在抽象思維中的一種簡(jiǎn)化了的圖象、圖式、符號(hào).由于所建立的理想模型與原型之間在結(jié)構(gòu)、功能、性質(zhì)等方面具有一定的相似性，可通過(guò)一定的理論、原理和規(guī)律，以其代表原型，來(lái)表征各種變量的變化規(guī)律.

4.2.2近似性

理想模型突出反映了客觀事物及其變化過(guò)程的某個(gè)主要矛盾、特征或主要運(yùn)動(dòng)形式，突出了主要因素，而忽略了其它次要因素.例如具有一定的大小、形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)的物體，在運(yùn)動(dòng)形式上還有可能有轉(zhuǎn)動(dòng).但我們常見(jiàn)的理想模型——質(zhì)點(diǎn)，用來(lái)代替物體的運(yùn)動(dòng)，卻忽略了上述的次要因素，而保留在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中起主要作用的因素：物體的質(zhì)量和它所占有的空間位置.并忽略空氣阻力和浮力作用，同時(shí)不考慮物體的翻轉(zhuǎn)等諸多因素的條件下成立的.而實(shí)際的落體運(yùn)動(dòng)不僅要考慮這些而且物體受到的阻力不僅與物體的形狀和大小有關(guān)，還與下落的速率有關(guān)等等.endprint

4.2.3局限性

任何理想化模型都是在一定條件下建立起來(lái)的，離開(kāi)了這一條件這一模型就不能使用，這就是理想化模型的局限性.因此，自由落體運(yùn)動(dòng)，首先把物體看成質(zhì)點(diǎn).

4.2.4相對(duì)性

某個(gè)事物在不同的情況下，如同一物體在這個(gè)問(wèn)題中可視為質(zhì)點(diǎn)，而在另一問(wèn)題中不能看作質(zhì)點(diǎn)處理，這就是理想化模型的相對(duì)性.如前面提到的地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的問(wèn)題，研究火車的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題等等.

5理想化模型的作用

5.1在研究結(jié)果不發(fā)生較大偏差的基礎(chǔ)上，使問(wèn)題的處理簡(jiǎn)單化

例如，上面提到的地球繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的問(wèn)題：地球在繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的同時(shí)，地球又繞其地軸不停的自轉(zhuǎn)；而對(duì)于地球這個(gè)具有一定大小的球體，顯然它上面各點(diǎn)具有相對(duì)于太陽(yáng)不同的運(yùn)動(dòng)情況.但是在研究地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，考慮到日心到地心的平均距離約為145 900 000km，地球的半徑約為日、地距離的1/23 439，而對(duì)比之下，地球的半徑就微乎其微了.因此我們就可以忽略地球上各點(diǎn)相對(duì)于太陽(yáng)在運(yùn)動(dòng)上差別.所以，我們研究地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)問(wèn)題時(shí)，就可以把地球看作沒(méi)有形狀和大小的理想模型——質(zhì)點(diǎn).通過(guò)建立理想模型，大大簡(jiǎn)化了地球相對(duì)太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的問(wèn)題，而我們所了解的質(zhì)點(diǎn)和點(diǎn)電荷，其實(shí)都是對(duì)真實(shí)物體或帶電體的一種簡(jiǎn)化和抽象，諸如萬(wàn)有引力定律、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、庫(kù)侖定律、洛倫茲力公式等基本規(guī)律以及質(zhì)點(diǎn)力學(xué)等基本理論都是在它們的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的.也正因?yàn)檫@兩個(gè)理想模型的建立，才使一些較復(fù)雜，困難的問(wèn)題得以解決.

5.2理想模型能夠突出物體原型的本質(zhì)特征，便于進(jìn)行邏輯思維和發(fā)揮想象力

充分發(fā)揮想象力和綜合運(yùn)用多種邏輯方法是建立理想模型或一般物理模型的必要條件.理想模型可以幫助我們把握事物的本質(zhì)和主要因素，從而忽略那些次要因素和細(xì)節(jié).理想模型建立與利用，使我們?cè)谝袁F(xiàn)實(shí)條件為基礎(chǔ)的同時(shí)又能超越我們現(xiàn)有的條件，充分發(fā)揮我們的想象力和邏輯推理能力，為今后的科學(xué)研究指明方向.

以理想氣體的微觀模型為例，認(rèn)為氣體分子的大小與氣體分子之間的距離相比可以忽略不計(jì)是建立該模型的基本條件；氣體分子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遵循牛頓運(yùn)動(dòng)定律，氣體分子與分子之間、氣體分子與器壁之間的相互作用都可看作彈性碰撞，即在不改變氣體分子的內(nèi)部能量的前提下交換能量和動(dòng)量；我們把氣體分子的重力，以及除碰壁瞬間外分子之間的相互作用都忽略不計(jì).我們就把這種可由無(wú)數(shù)自由地、無(wú)規(guī)律地運(yùn)動(dòng)著的彈性球分子結(jié)合起來(lái)的氣體分子，叫做理想氣體分子的模型.

在研究問(wèn)題時(shí)，忽略分子內(nèi)部各種形式的能量轉(zhuǎn)換，這也就是理想氣體分子模型的實(shí)質(zhì).在理想模型的基礎(chǔ)上，建立了分子動(dòng)理論，把物理學(xué)引入了分子世界，確實(shí)令人驚奇.

5.3利用物理模型的某些相似性，用類比的方法研究問(wèn)題

例如，在天體運(yùn)動(dòng)模型中，基本原理為萬(wàn)有引力提供向心力、速度、加速度、動(dòng)能和周期等都隨著軌道半徑變化而變化，而我們?cè)谘芯吭影l(fā)光理論時(shí)，核外電子所受的庫(kù)侖力提供向心力，核外電子從外界吸收能量后向高能級(jí)躍遷時(shí)，我們會(huì)把天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律自覺(jué)地遷移過(guò)來(lái)，形成類比的方法來(lái)進(jìn)行研究，從而使問(wèn)題簡(jiǎn)化.

5.4從理想模型與實(shí)際原型的差異中可得到新的啟示，產(chǎn)生科學(xué)預(yù)見(jiàn)

一切理想模型的建立都有一定前提條件的，這也就決定了它的局限性.當(dāng)理想模型與實(shí)際結(jié)果出現(xiàn)矛盾時(shí)，我們必須認(rèn)真地分析模型與實(shí)際情況.而往往可以從中得到啟示，從而產(chǎn)生了新的科學(xué)預(yù)見(jiàn).

如在固體物理學(xué)中，由于世界上不存在沒(méi)有任何缺陷的完整晶體，而為了便于研究，建立了理想晶體這一模型.但通過(guò)微觀理論強(qiáng)度計(jì)算所得的結(jié)果是實(shí)際金屬材料強(qiáng)度的一千倍.于是人們就從中得到啟示，預(yù)言金屬材料的強(qiáng)度減弱的原因是實(shí)際材料中存在著許多缺陷，這就引發(fā)了人們對(duì)點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷與體缺陷的研究，并在實(shí)踐中證實(shí)了這個(gè)預(yù)言.

6理想化模型方法的意義

6.1推動(dòng)物理學(xué)發(fā)展

伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)為牛頓第一定律的建立，提供了有利的科學(xué)依據(jù)，伽利略對(duì)自由落體的研究開(kāi)辟了科學(xué)的物理研究方法，光線的引人為幾何光學(xué)的研究開(kāi)辟了先河.能量子的提出為量子論的初步奠定了基礎(chǔ)，所有這些理想化模型的建立和引入，都大大地推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展，加快了人們對(duì)物理規(guī)律的探索和研究.加快了人們對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí).

6.2促進(jìn)物理教學(xué)

在大學(xué)普通物理與中學(xué)物理教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和形式上，理想模型都扮演著舉足輕重的角色.為了更好地傳授知識(shí)，引入了理想模型，而這種能夠化抽象為具體，化繁為簡(jiǎn)的物理方法，在教學(xué)過(guò)程中，起到了事倍功半的效果.與此同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的思維和創(chuàng)新，對(duì)學(xué)生進(jìn)行了科學(xué)方法論的教育.通過(guò)理想化方法的學(xué)習(xí)，可使學(xué)生從中學(xué)會(huì)如何抓住主要矛盾，忽略次要因素，學(xué)會(huì)處理實(shí)際問(wèn)題的方法，教育學(xué)生學(xué)會(huì)進(jìn)行科學(xué)抽象的方法.

因此，要讓學(xué)生更加熟練地掌握物理知識(shí)，就要抓住每一個(gè)可培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的理想模型的教學(xué)過(guò)程，讓學(xué)生從中得到鍛煉，并且學(xué)到一些獲益終身的思想方法和物理知識(shí).

7結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，理想模型是從研究問(wèn)題的簡(jiǎn)化和從實(shí)物中抽象而來(lái)的，它反映了原型的主要本質(zhì)，忽略了次要因素.物理模型的建立是一種重要的物理方法，理想模型在物理學(xué)理論研究與物理教學(xué)中均具有重要的作用和意義.endprint