物理学中的模型和方法.doc

第26卷第3期 2007年9月 《新疆师范大学学报》(自然科学版) Journal of Xi~iang Normal University (Natural Sciences Edition) Vo1．26，No．3 Sep．2007 浅议物理学中的理想模型及其 在大学物理教学中的作用 谢绍平 (凯里学院物理系，贵州凯里556000) 摘 要：理想模型在物理学的研究中具有十分重要的地位和作用，它是形成物理概念、建立物理规律的基础，能简化物理问 题，帮助研究者寻找研究方向。在大学物理的教学中，要注意培养学生建立理恕模型的能力和利用理想模型去思考和解决具体物理 问题的能力。 关键词：理想模型；物理学研究；教学；作用 中图分类号： G642．4 文献标识码： A 文章编号： 1008—9659一(2007)一03—0368—03 物理学是研究物质最普遍、最基本的运动形式的基本规律的一门学科。这些运动形式包括机械运动、分子热运动、电磁 运动、原子及原子内部微观粒子的运动等。由于自然界的物质种类繁多，运动情况错综复杂，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。因此在物理学的研究中为了抓住主要矛盾，忽略次要矛 盾，就必须要采用理想模型的研究方法。 理想模型是根据物理研究对象和问题的特点．撇开、舍弃次要的、非本质的因素，抓住主要的、本质的因素，从而建立起的 一个易于研究的、能反映研究对象主要特征的新形象。实际上．物理学中的研究客体。许多都是利用科学抽象和概括的方法 建立起来的理想模型。物理学中有很多理想模型，如力学中的质点、刚体，热学中的理想气体，电磁学中的点电荷，量子力 学中的黑体、无限深势阱、谐振子等等。理想模型无论是在物理学的研究中，还是大学物理的教学中。都具有非常重要的地位 和作用。 1 理想模型在物理学研究中的作用 1．1 理想模型是形成物理概念、建立物理规律的基础 物理学的目的是探索自然界广泛存在的各种最基本的运动形态、物质结构及相互作用的规律，为自然界物质的运动、结 构及相互作用描绘出一幅幅绚丽多彩、结构严谨的图画，以便人们认识自然和改造自然。要达到这样的目的，就必须反映物 理现象，物理过程在一定条件下必然发生、发展和变化的规律，揭示物理事物本质之间的关系，此即物理规律，并要求在此基 础上形成系统的、严密的物理理论。然而由于自然界物质的复杂性和多样性，完全按照物理客体的本来面目进行研究，问题 将变得很复杂，很难得出定量的物理规律和系统的物理理论，这就要求我们对其进行科学的抽象，建立起能反映物理客体本 质属性的理想模型。 ． 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。”这说明建立和应用物理模型是创立物理科学理论的有力武器。从某种意义上 说，各种理想模型的出现正是物理学向深度和广度发展的重要标志之一。实际上全部物理学的原理、定律都是对于一定的理想 模型行为的刻画。可以说，离开了理想模型，物理学寸步难行。理想模型是由真实物体抽象出来的，它在一定程度上是客观实际 的反映。物理学中保留下来的理想模型都经受了实践的检验，这种科学的抽象更深刻、更正确、更完全地反映着自然。 例如，研究一个物体在地面附近由静止下落的运动，这是物理学中很简单的运动，但是如果不建立理想模型，也会变得无 从下手。因为物体下落时，影响物体运动的因素很多。首先是重力，它将随物体下落的高度而变化；其次是物体受到的空气 阻力，它与物体的形状、大小及下落速度有关，同时还与风速、风向等因素有关。如果我们忽略物体的大小和形状，忽略它受 到的空气阻力．而把它当作质点来处理，把重力加速度看作是恒量，则该物体的运动可看成是一个质点在均匀重力场中只受 重力作用的一种运动，称之为自由落体运动。至此，我们就可以方便地得出物体自由下落的规律。 1．2 利用理想模型能简化物理问题 实际的物理过程往往错综复杂，而根据我们的研究目的，可以抓住主要矛盾，忽略次要因素而建立理想模型，就可以使所 要研究的物理问题得到简化。例如物体运动时，内部各点的位置变化一般是各不相同的。因此，要精确描述物体的运动并非 易事，有时甚至不可能。但根据问题的性质．如果物体的线度和形状在所研究的现象中不起作用或所起作用可忽略不计，就 可以把物体看作一个没有大小和形状，而只有质量的一个点——质点。质点这一抽象出来的模型，保留着物体的物质性，即 具有质量和占有一定的空间，但又忽略了物体的线度和形状这些次要的、非本质的因素，从而使研究物体的运动成为可能，大 大地简化了物理问题。 再例如刚体这一理想模型的引入。固体受到力的作用，其形状和大小都要发生变化。如果这种变化不显著，对我们