"物理模型"的建立及意义

于老师

付奕博 李泽鑫

 

北京中学 七（2）班

2018.5.

 

摘要：

物理模型是人们研究和探索物理学中复杂关系的重要工具，是一种把物理学上的实际问题转化成让人容易理解的具有科学性简化结构。物理模型主要分为物质模型、状态模型、过程模型三种类型。物理模型的建立和分析，可以帮助我们更好培养运用物理思维方式，简化物理学习。建立物理模型主要有类比法、等效法和作图法。

关键词：物理模型，建立，作用

一、物理模型的概念

自然界中，任何事物与其他许多事物都有着千丝万缕的联系，并处在不断的变化当中面对复杂多变的问题。人们在着手研究时，总是遵循着这样一条重要法则，是从简到繁，从易到难，循序渐进，逐次深入，基于这样一种思维，人们创建了物理模型，物理模型是指物理学所分析的研究的问题往往很复杂，为了便于着手分析与研究，物理学中常采用简化的方法，对实际问题进行科学抽象处理用一种能反映原物本质的理想物理或遐想结构去描述实际的事物，这种理想物质或假想结构称之为物理模型。物理模型是一种把物理学上的实际问题转化成让人容易理解的具有科学性简化结构，它能够排除次要信息，把不存在的物理量虚构出来形象地呈现给人们。因此，物理模型成为人们去研究和探索物理学中复杂关系的重要工具。

二、物理模型的种类和我们初中将要接触的物理模型

我们列举了三个在初中时期将要学习的物理模型的建立。

1. 物质模型

物质模型是较为基础的模型，在中学属于常见物理模型。它是通过物质之间的运动和关系来表达出的模型。物理学上的物质分为两种，一种是实体物质，另一种是场物质。实体物质是真实存在且能够被人们感知，由具有实际大小、质量的粒子组成；场则是无处不在的，具有力和能的空间区域，却并不能用感官识别，例如星球之间因为有了引力场才会互相产生引力而造成吸引。实体和场是时空的基本结构，表现了时间和空间上的矛盾运动，而这种矛盾运动促成了今天复杂多样的宇宙。于是，物质模型也同样分为实体物质模型和场物质模型。实体物质模型主要有有力学中的质点、轻质弹簧、弹性小球等；电磁学中的点电荷、平行板电容器、密绕螺线管等；气体性质中的理想气体；光学中的薄透镜、均匀介质等。而场物质模型主要有典型的匀强电场和匀强磁场两种空间场模型。例如我们学过的光学部分中的光线模型，它就是把本来不存在的光线实际化，把光看作一条射线，使人们研究光的传播路线更为清晰明了，可以方便地用其研究光。

2. 状态模型

状态是指物质系统所处的状况，用一组物理量来表征；也可以指物质的聚集态，一共分为固态、液态、气态、等离子态、超固态、超导态、中子态等。然而状态模型中的状态是指第一层意思，也就是来表明物质系统所处的状况。研究流体力学时，流体的稳恒流动（状态）；研究理想气体时，气体的平衡态；研究原子物理时，原子所处的基态和激发态等都属于状态模型。

3. 过程模型

过程模型是为了研究复杂物质运动过程中，将所有物质及变量单挑出来逐一分析，随后留下重要因素丢掉次要因素再次进行分析的过程。在研究质点运动时，如匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速圆周运动、平抛运动、简谐运动等；在研究理想气体状态变化时，如等温变化、等压变化、等容变化、绝热变化等；还有一些物理量的均匀变化的过程，如某匀强磁场的磁感应强度均匀减小、均匀增加等；非均匀变化的过程，如汽车突然停止都属于理想的过程模型。例如我们学过的相对运动领域，匀速直线运动模型是一个经典例子。它就把很难做到的匀速直线运动来理想化，成为问题中的一个理想条件，为研究速度等方面做出了有利的支持。

举两个例子，在我们学习"声"那个单元时，用到了一个真空泵，可是我们无法做到完全真空，所以我们运用研究对象理想化模型根据推理得出声音无法在真空中传播。再举一个最近的例子，我们在学习"摩擦力"那一部分知识点时，运用运动变化过程中理想模型推理出当摩擦力为0时，运动的物体会保持匀速直线运动的状态。

自然界中，物理无处不在，所以需要物理理想化模型的地方也无处不在，物理模型能够为我们铺设学习物理，了解物理现象本质的道路。

三、物理模型的特点

   物理模型是形象性和抽象性的统一，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。而模型的本身有具有直观形象的特点。

四、物理模型建立的作用及意义

 物理模型是我们学习物理的重要工具，它可以使复杂问题简单化，物理模型起到了抓主要矛盾，可以突出问题的本质，从而使研究工作简化。

作用

（1） 培养思维方式

拥有科学的物理思维方式，是学好物理并且建立正确"物理三观"的关键，而物理模型便是建立思维的得力助手。物理模型打破物理学习中常见的思维，撤掉一味地追求实际和精确，通过对实际问题的研究，对物理模型的建立和分析，可以帮助我们更好运用物理思维方式，透彻理解物理概念，掌握物理规律。

（2）简化学习过程

物理模型为学习物理知识提供了简洁明了的途径，方便我们对于新的难题上手。它为我们突出主要问题，简化次要问题，建立清晰的物理情景和物理推导过程，使物理学习变得更加简便和透彻。

意义：

物理模型可以使我们打破原有的知识结构，再重新组合成对我们有利的知识，转换成自己的内部储存，也就是说，物理模型具有实践性和操作性，可以让我们更好地适应越来越复杂的物理学板块。有了物理模型，我们才能将物理概念活学活用，在做题时灵活思考，不至于到了书面死记的地步。

举个例子，拿物体从空中落下的问题来说，分析物体的受力情况。除重力外，还受到空气的阻力和浮力，而空气的阻力和浮力也与物体形状，大小空气的密度温度等因素有关，并且重力的大小，也并不是恒定的。随着物体下落的高度而发生微小的变化，但是我们在研究物体下落时只突出了重力作用，而把其他全部力都忽略了，这样物体下落运动的性质就比较容易理解。（如下图）

 

五、建立物理模型的方法。

建立模型主要有三种方法。

（1）类比法

有些复杂的物理题目，求解过程会十分冗长而繁琐，于是我们便可以将复杂问题简单化，将其转换成为一种简单的、好理解的模型上去来对比分析。通过两者之间的相似点来判断分析，最终把类比者的方法用到难题身上去，这样既简化了思维过程，又能通过类比来对比复习知识点。

（2）等效法

等效法和等效替代法可以说是几乎一样，都是把一种难以观察计算的物理量转化成能够实际检测到并能够量化的另一种表现形式。这种方法开拓了我们的思维，是我们的思维更加灵活、跳跃。利用这种方法的例子在中学学习过程中有很多，其中最具有代表性的就是液体压强计。液体压强是一个看不见摸不着的物理量，只是反映了液体内部的力，并没有真实地存在。于是，液体压强计通过将液体内部压强挤压橡皮膜的方式转换成大气压对U形管内液体的压力来产生液面高度差从而把液体内部压强转换成U形管液面高度差。

（3） 作图法

通过作图的方式将题目中的已知条件画出来，在直观地建立物理模型。这种方法具有直观性和易操作性，用起来简单、容易。我们学过的凹凸透镜面镜光线图就是用的这种方法。

六、构建物理模型的步骤

（1）审题，抓住有效已知条件换取信息

（2） 联想基础概念建立物理模型

（3） 根据构建的模型解题

七、总结

综上所述，物理模型建立的作用十分的大， 对于物理知识的学习意义非常的深远。

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