錢(qián)鋒

一、物理模型的主要類(lèi)型

物理模型是科學(xué)方法中的一種——理想化方法的產(chǎn)物。物理學(xué)是研究物質(zhì)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的科學(xué)，研究對(duì)象是由物質(zhì)組成的物質(zhì)系統(tǒng)，它們的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和所發(fā)生的現(xiàn)象一般是極其復(fù)雜的。在物理學(xué)的研究中，突出物質(zhì)系統(tǒng)和它們的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及所發(fā)生現(xiàn)象的主要的、本質(zhì)的因素，忽略次要的、非本質(zhì)的因素，是必不可少的，這也是學(xué)生在正確解題中不可缺少的一種基本功。下面列舉出物理模型的主要類(lèi)型，供大家參考。

1.模擬式的物理模型

這類(lèi)模型一般用在建立物理概念上，可以使一些看不見(jiàn)、摸不著的物理對(duì)象變得具體、直觀、形象。如中學(xué)物理中引入的電場(chǎng)線(xiàn)、磁感線(xiàn)、光線(xiàn)和盧瑟福核式結(jié)構(gòu)原子模型等。

2.理想化模型

（1）物理對(duì)象模型。用來(lái)代替由具體物質(zhì)組成的、代表研究對(duì)象的實(shí)體系統(tǒng)，稱(chēng)為對(duì)象模型（也可稱(chēng)為概念模型），即把研究對(duì)象本身理想化。常見(jiàn)的如“力學(xué)”中有質(zhì)點(diǎn)、輕質(zhì)彈簧、單擺、彈簧振子、彈性體、絕熱物質(zhì)等，電學(xué)中有點(diǎn)電荷、檢驗(yàn)電荷、理想導(dǎo)體、絕緣體、理想電表、純電阻、純電感、純電容、理想變壓器等，光學(xué)、原子物理中有薄透鏡、波粒二象性模型、原子模型等。

（2）條件模型。把研究對(duì)象所處的外部條件理想化，排除外部條件中干擾研究對(duì)象運(yùn)動(dòng)變化的次要因素，突出外部條件的本質(zhì)特征或最主要的方面，從而建立的物理模型稱(chēng)為條件模型。例如物體沿水平面運(yùn)動(dòng)時(shí)所受摩擦力對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響不起主要作用，或需要假設(shè)一種沒(méi)有摩擦力的環(huán)境引入光滑平面的模型，其它如不可伸長(zhǎng)、不計(jì)質(zhì)量的繩子、輕質(zhì)杠桿，只受重力作用或不計(jì)重力作用、均勻介質(zhì)、勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)等。一般情況下題目都會(huì)給出條件模型，引入條件模型主要是為了簡(jiǎn)化對(duì)問(wèn)題的研究。

（3）過(guò)程模型。把具體過(guò)理過(guò)程純粹化、理想化后抽象出來(lái)的一種物理過(guò)程，稱(chēng)過(guò)程模型。例如把某些復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程純粹化、理想化，看作是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)（對(duì)象模型）做單一的某種運(yùn)動(dòng)，如勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，勻速圓周運(yùn)動(dòng)等。另外，如彈性碰撞、完全非彈性碰撞、純滾動(dòng)的運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、 等溫過(guò)程、等壓過(guò)程、等容過(guò)程、絕熱過(guò)程、恒定電流等，都是以突出某一方面的主要特征，忽略一些次要特征后抽象出來(lái)的理想過(guò)程，都是一種過(guò)程模型。利用這些模型最重要的是抓住在題設(shè)物理情景中這些模型的特點(diǎn)及應(yīng)用條件，深刻理解其物理意義。

二、模型法在物理學(xué)中的意義和運(yùn)用

建立理想模型在物理學(xué)的抽象中有著特別重要的意義，理想模型是對(duì)客觀世界的近似反映，由于它只是反映原來(lái)實(shí)體中某些主要的功能和性質(zhì)，突出了主要矛盾，因而具有認(rèn)識(shí)上的抽象性和應(yīng)用上的廣泛性。下面把課本中的模型做一個(gè)小結(jié)：（1）物理對(duì)象模型，例如質(zhì)點(diǎn)、理想氣體、點(diǎn)電荷等。（2）條件模型，例如檢驗(yàn)電荷，慣性定律。（3）過(guò)程模型，例如勻速運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)等。（4）結(jié)構(gòu)模擬模型，例如力作用示意圖、電場(chǎng)線(xiàn)、磁感線(xiàn)、原子核式結(jié)構(gòu)，氫原子能級(jí)等。

一個(gè)具體的物理問(wèn)題所描述的研究對(duì)象、物理現(xiàn)象和物理過(guò)程往往都對(duì)應(yīng)著一定的物理模型。解題時(shí)應(yīng)首先將題中所給的物理現(xiàn)象或過(guò)程抽象為某種物理模型，用理想化了的物理模型揭示在表面現(xiàn)象下的物理本質(zhì)。只有正確建立了物理模型，才能真正透析問(wèn)題的本質(zhì)特征。因此，合理地建立模型是正確解題的前提。

那么怎樣從錯(cuò)綜復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題中抽象出物理模型呢？這就需要對(duì)所給信息進(jìn)行提煉和加工，突出主要因素、忽略次要因素，通過(guò)思維加工、采用恰當(dāng)?shù)姆椒?，找到新?wèn)題與熟悉的物理模型之間的聯(lián)系，使新信息和原有知識(shí)之間的聯(lián)系通道保持暢通，從而順利地實(shí)現(xiàn)模型化，構(gòu)建起符合新情境的物理模型。

例如：某地區(qū)的平均風(fēng)速是6.0m/s，已知空氣密度是12kg/m3，此地有一風(fēng)車(chē)，它的車(chē)葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可形成半徑為20m的圓面。假如這個(gè)風(fēng)車(chē)能將此圓內(nèi)10%的氣流的動(dòng)能變?yōu)殡娔?。?wèn)：（1）平均每秒內(nèi)有多少體積的氣流沖擊風(fēng)車(chē)車(chē)葉形成的圓面？（2）這些氣流的動(dòng)能是多少？（3）這個(gè)風(fēng)車(chē)平均每秒內(nèi)發(fā)出的電能是多少？

分析：風(fēng)中的空氣氣流狀況是極其復(fù)雜的，氣流在空間不同位置上的速度大小和方向變幻莫測(cè)。在題中，氣流被抽象為速度大小不變，方向恒垂直于風(fēng)車(chē)葉的轉(zhuǎn)動(dòng)圓面，變成了一種理想化的對(duì)象模型。氣流的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及能量轉(zhuǎn)化等均被“平均”二字轉(zhuǎn)換為條件模型及過(guò)程模型。

解：（1）風(fēng)車(chē)葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)形成的圓面面積為：

S=πR2=3.14×202m2=1257m2

平均每秒鐘沖擊風(fēng)車(chē)葉轉(zhuǎn)動(dòng)圓面的氣流體積：

V=Svt=1257×6.0×1m3=7540m3

（2）以上氣流的動(dòng)能為：

Ek=mv2=ρVv2=×1.2×7540×（6.0）2J=1.63×105J

（3）風(fēng)車(chē)平均每秒發(fā)出的電能為：

Ek=Ek×10%=1.63×104J

點(diǎn)撥：題中的氣流速度問(wèn)題、氣體密度和氣流動(dòng)能問(wèn)題始終是解決風(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)知識(shí)問(wèn)題，學(xué)生通過(guò)這道例題，不僅可掌握一類(lèi)題的基本解法，還可受到科學(xué)方法的訓(xùn)練。

綜上所述，模型法是解決物理問(wèn)題時(shí)常用的一種方法，利用模型法解題要注意理解各種模型的物理意義和使用條件；要正確分析物理狀態(tài)和物理過(guò)程；要選取建立正確合適的物理模型；尤其要注意“相似”模型的對(duì)比，不僅要注意那些“形異質(zhì)同”模型的共性，更要注意那些“形同質(zhì)異”模型的本質(zhì)區(qū)別。