关于物理模型与理想实验的对话

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1、关于物理模型与理想实验的对话()上海东辉外国语高级中学严永林（201204）学生：在我们平时的学习中，经常看到和在上课中听到建立物理模型的科学研究方法。那么，您能给我们谈谈什么是物理模型的方法吗？教师：这是一个颇具魅力的话题。所谓的物理模型的方法，从科学方法的分类角度来讲，它实际上是一种思维方法，即抽象和概括的方法。从应用角度来讲，它实际是使研究的问题和过程得以简化和理想化的方法。即根据研究对象和问题的特点、性质、程度和内容，在一定条件下对研究对象进行抽象，排除非本质的因素干扰，舍弃次要因素和无关因素，抽取本质的、起决定作用的主要因素，重新建立一个易于研

2、究的、能从主要方面反映研究对象的新形象的方法。学生：从您的介绍中，我们对物理模型的方法有了一定的理解。可是，物理模型它其实在自然界并不存在，那我们引入它具有什么实在的价值呢？教师：至于这个问题很有必要深入地谈谈。我们知道物理学是研究自然界广泛存在的各种最基本的运动形态、物质的结构和相互作用的科学。由于自然界的物质种类繁多，运动错综复杂，相互作用各具特征，实际的物理事物可能处于一定条件下而具有多方面的特征，几乎任何一个物理问题都会牵涉到许多因素。因此，要全面地、毫无保留地考虑每一个因素的存在，就会使我们在研究和处理问题时寸步难行。为了探索和揭示复杂的物理事

3、物的本质和规律，必须根据所研究的对象和问题的特点，从我们所考察的角度出发，撇开问题中个别的、非本质的因素，抽出主要的、本质的因素加以考查研究，进而建立起一个轮廓清晰、主题突出的、易于研究的新形象和新过程----物理模型。例如：研究一个物体在地面附近由静止下落的运动，这是物理学中的一种非常简单的运动。但就对于这样一种简单的运动，如果不建立质点模型，也会变得无从下手。因为物体下落时，影响运动的因素很多。首先是重力，根据万有引力定律可知，它将随着物体的下落而改变；其次是物体受到空气的阻力，它与物体的形状、大小和下落的速度有关，同时还与风速、风向、物体下落中的转

4、动有关。如果我们要综合考虑这些因素，找出物体下落的定量规律，就十分困难。这时，我们可从分析着手，物体从静止开始下落的根本原因是受重力的作用，重力在物体下落中变化极小，可处理成不变；当物体下落过程中速度不大时，阻力较小，也可忽略，同时，也可不计地球的自转、风速以及物体的转动等因素的影响，这样就将物体抽象成一个质点，将运动过程抽象成只受重力作用下的一种运动，我们称之为自由落体运动。我们就能方便的研究出物体下落的规律。从本例的分析中可以看出，物理模型是一个理想化的形态，它最明显的特点就是摒弃了原型中影响问题的各种次要因素，抓住了原型中影响问题的主要因素，对研究

5、对象作了极度的简化和纯化的处理，从而使我们得以通过研究模型来认识原型中各种本质的特征及其必然联系，建立物理概念，得出物理规律，形成物理理论。可以说，物理模型是物理规律和物理理论赖以建立的基础，各种物理模型的出现正是物理学向深度和广度发展的重要标志。学生：物理模型除了对发现物理规律和建立物理理论有独特的价值外，它还有其他方面的价值吗？教师：当然有。这就是物理模型的使用价值，它主要体现在以下两个方面：其一是利用物理模型可解释物理现象和实验定律。例如应用理想气体模型和气体分子运动论，可以解释气体实验定律。又如应用爱因斯坦的光的波粒二象性模型可解释光电效应实验事

6、实等。其二是利用物理模型可作出科学的预见，指明进一步研究的方向。例如，人们在研究晶体问题时，常将实际晶体抽象为没有缺陷的理想晶体，但在应用量子力学理论对这种理想晶体的计算后发现，其强度比实际的金属材料（离子晶体）的强度约大1000倍。这个结果启发人们，实际的金属材料的强度之所以比理想晶体小得多，一定是实际材料中存在着缺陷的缘故。后来，通过研究发现金属中确实存在着缺陷。人们利用晶体生长的方法，得到了特别纯的或成分非常确定的、没有缺陷的各种材料的单晶，从而有效地提高了金属材料的硬度。又如法国学者布瓦尔得通过不断地对天王星观测后发现，根据不同时间计算出的天王星

7、运行轨道不同。德国数学家贝塞尔为解释这一实验事实，应用开普勒行星轨道模型和牛顿万有引力定律，大胆预言了存在一颗新的行星。1946年9月23日，德国天文学家伽勒观测到了这颗行星，即海王星，从而证实了贝塞尔预言的正确性。学生：原来物理模型具有如此巨大的理论价值和使用价值。可是物理模型是研究对象经过极度的简化和纯化处理后的新形象，它并不是真实的情景，那么，人们是如何应用它和通过它建立起来的有关概念、规律与理论来解决实际问题的呢？教师：这一问题具有很强的现实意义。我着重从以下几方面来说明：其一，我们必须承认实际的物理现象和过程一般都是十分复杂的，涉及到众多因素，

8、在综合考虑所研究问题的目的、性质、程度等基础上，建立起一个能够集中反映事物的本质