淺析物理模型對(duì)物理學(xué)發(fā)展的多重作用

付淑婷

摘 要：為順應(yīng)新時(shí)代下教育發(fā)展的潮流，喚醒人們對(duì)物理模型的重視，本文通過(guò)對(duì)模型概念的分析，進(jìn)一步闡述了模型在物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中的作用，并通過(guò)具體實(shí)例加以論證。

關(guān)鍵詞：物理模型;作用;物理學(xué)

前言

當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)日新月異的時(shí)代，科技與經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，信息和世事瞬息萬(wàn)變。物理學(xué)科核心素養(yǎng)對(duì)學(xué)生的發(fā)展提出了多方面的要求。在這其中思維與觀念的發(fā)展則是重中之重難上加難，鍛煉思維與樹(shù)立觀念很重要的一點(diǎn)在于模型建構(gòu)，由此我們可以看出模型有著舉足輕重的作用。我們將眼光放寬，縱觀整個(gè)物理發(fā)展史同樣離不開(kāi)物理模型的推動(dòng)。換句話說(shuō)，一部物理學(xué)史發(fā)展其實(shí)就是一個(gè)關(guān)于模型發(fā)展變化的進(jìn)化史。

1、物理模型的含義

什么是模型？模型的原是依照事物原型按比例制成的物品。錢學(xué)森先生曾給模型下過(guò)這樣的定義：“模型是通過(guò)對(duì)問(wèn)題現(xiàn)象的分解、利用我們考慮得來(lái)的原理吸收一切主要因素、略去一切不是主要的因素，所創(chuàng)造出來(lái)的一幅圖畫(huà)”?？陀^世界的現(xiàn)象是復(fù)雜多樣的，任何客觀事物都具有眾多的特性、不同的層次，許多本質(zhì)的、非本質(zhì)的聯(lián)系交織在一起，大量的偶然現(xiàn)象、偶然因素掩蓋著事物必然的規(guī)律和本質(zhì)的因素。為深入揭示客觀事物內(nèi)部的本質(zhì)的規(guī)律，我們就需要基于研究的問(wèn)題的對(duì)客觀事物進(jìn)行簡(jiǎn)化與理想化處理，抓住主要特征、摒棄次要因素，從而得到現(xiàn)實(shí)中客觀事物的映像，這就是物理模型。

2、物理模型的作用

2.1物理模型可以將原型理想化處理

物理模型是事物原型的簡(jiǎn)化或是純化。通過(guò)對(duì)事物原型進(jìn)行操作，從而抽象出所探索事物的理想化形態(tài)。任何一類物理模型，在建立的過(guò)程中都需有客觀存在的原型為依托，并依據(jù)原型本身抓住問(wèn)題的主要因素，保留核心。在這里，我們不妨逆向思考，既然物理模型是事物原型進(jìn)行了理想化的形態(tài)，那必然“原型的簡(jiǎn)化”本身也是它的作用之一，換言之，物理模型正是對(duì)事物原型進(jìn)行簡(jiǎn)化，進(jìn)而突出影響事物發(fā)展變化的本質(zhì)聯(lián)系，最終起到使研究工作順利進(jìn)行的作用。我們不妨利用具體事例說(shuō)明這一點(diǎn)。自由落體運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)單說(shuō)，就是一個(gè)物體從高處釋放，由靜止開(kāi)始下落的運(yùn)動(dòng)。如果我們不建立理想化物理模型的概念，那么這個(gè)過(guò)程便不會(huì)像筆者描述的如此簡(jiǎn)單，甚至對(duì)于它的研究，一度會(huì)變得無(wú)從下手。在實(shí)際情況中，下落的物體會(huì)受到各式各樣因素的影響，影響最大的便是重力。這是因?yàn)橹亓Φ拇笮?huì)隨著小球下落過(guò)程中與地面的距離變化而產(chǎn)生變化，如若我們不理想化看待小球，不將其視作質(zhì)點(diǎn)，那力的分析就不再是簡(jiǎn)單的質(zhì)量與重力加速度的乘積。不光是這一點(diǎn)，像空氣阻力、小球外形、地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)等都會(huì)對(duì)下落產(chǎn)生影響從而增加我們研究的難度，但正是因?yàn)槟Ｐ偷睦硐牖饔?，我們才得以?jiǎn)化對(duì)相關(guān)問(wèn)題的研究。

2.2物理模型可以透過(guò)表象解釋事物本質(zhì)

在事物原型較為復(fù)雜，無(wú)法直接演示或證明定律時(shí)，利用簡(jiǎn)化過(guò)后的物理模型，可以將原本繁瑣的過(guò)程梳理清晰，達(dá)到解釋說(shuō)明現(xiàn)象原因的作用，使之成為說(shuō)明事物變化規(guī)律的演繹器。例如利用理想氣體模型可以幫助我們更好的理解三大氣體定律;再比如利用金屬導(dǎo)電模型解釋歐姆定律?？赡苓@些與我們的生活距離較遠(yuǎn)，但放眼我們身邊的例子同可以用于論證模型的這一作用。常見(jiàn)的繩擺實(shí)驗(yàn)，下方墜一重物讓其從鼻尖處擺動(dòng)時(shí)，這一重物永遠(yuǎn)不會(huì)打到鼻尖。那么這一現(xiàn)象則可以用單擺模型做出明確解釋。

2.3物理模型可以檢驗(yàn)與更新已有理論

我們可以清楚的認(rèn)識(shí)到模型與客觀事物之間的一種聯(lián)系：簡(jiǎn)化與純化事物;反映與解釋事物。這一部分換一種方向，思考模型與理論之間的關(guān)系。模型與理論的關(guān)系可以認(rèn)為是一種雙向建立的一個(gè)過(guò)程：從模型出發(fā)，通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行研究與探討從而建立一種理論，進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)事物蘊(yùn)含的物理規(guī)律，使得人們對(duì)事物的研究更透徹更貼近事實(shí)。這其實(shí)就是從模型到理論的一種更新建立過(guò)程。反過(guò)來(lái)，如果從理論（假設(shè)）出發(fā)，也是能歸納出物理模型的。為了讓大家更好的去理解這種關(guān)系，我們?nèi)杂脝螖[模型做出說(shuō)明。伽利略通過(guò)觀察生活中常見(jiàn)的吊燈，注意到其擺動(dòng)情況，從而抽象出單擺模型，并進(jìn)一步研究，成功地發(fā)現(xiàn)了單擺振動(dòng)等時(shí)性這一物理規(guī)律。隨著人們對(duì)單擺現(xiàn)象研究的深入，惠更斯在單擺模型基礎(chǔ)之上進(jìn)一步演算出擺的周期公式。這便是從模型到理論的建立，反過(guò)來(lái)應(yīng)用周期公式解決幾種復(fù)雜振動(dòng)現(xiàn)象則是理論對(duì)模型的一種歸納，由此可見(jiàn)模型與理論之間的雙向關(guān)系。

2.4物理模型可以為科學(xué)發(fā)展指明方向

物理模型是原型的簡(jiǎn)化和純化，或者換種方法說(shuō)模型是原型的一種近似反映。正式由于人們?cè)谔岢龌蛐纬尚履Ｐ偷倪^(guò)程中忽略了大多數(shù)的次要因素所產(chǎn)生的干擾，從另一面講則是突出了原型（研究對(duì)象或物理過(guò)程等）的主要特征。這一過(guò)程已經(jīng)是對(duì)原有事物的一種預(yù)想，在這一基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)揮邏輯思維的力量，可以將我們研究的問(wèn)題或過(guò)程甚至研究結(jié)論超越現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)水平，在思維的層面上展開(kāi)研究，進(jìn)一步指出研究方向或形成科學(xué)的預(yù)見(jiàn)。比如在固體物理的發(fā)展中，理想晶體是常常作為研究對(duì)象出現(xiàn)在人們的視野中，隨著應(yīng)用量子力學(xué)的出現(xiàn)人們進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行了深入的探索，結(jié)果表明其強(qiáng)度比實(shí)際的金屬材料的強(qiáng)度高出1000倍。這使得人們意識(shí)到，通常金屬材料的強(qiáng)度之所以比理想晶體的強(qiáng)度弱可能是因?yàn)樵诮饘俨牧现写嬖谠S多缺陷。后來(lái)通過(guò)更精細(xì)的研究，人們發(fā)現(xiàn)了金屬結(jié)構(gòu)缺陷這一問(wèn)題，并進(jìn)一步研究了如何減少缺陷、提高強(qiáng)度的方法。這就是模型預(yù)見(jiàn)性的一種體現(xiàn)。

3、結(jié)束語(yǔ)

模型的作用體現(xiàn)出其對(duì)物理發(fā)展的推動(dòng)性與支持性。人們?cè)谡J(rèn)識(shí)與改造自然界的過(guò)程中必然是使用了多種方法，但考慮到事物主次矛盾的思維方法——模型法是眾多方法中重要且不可替代的，這種思維能力在現(xiàn)如今的教育中仍是教育者的付出努力的追求。通過(guò)認(rèn)識(shí)模型，從而了解模型及其作用進(jìn)一步建構(gòu)模型形成對(duì)物理規(guī)律與概念的恰當(dāng)認(rèn)識(shí)，是新時(shí)代學(xué)生始終要具有的一種能力，也是新時(shí)代教師努力的方向。

參考文獻(xiàn)

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