关于物理模型与理想实验的对话

1、关于物理模型与理想实验的对话 东辉职校 高中部 严永林 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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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，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和规律的物理模型，从而使问题的研究与处理过程大为简化和理想化。这是一个十分聪明的办法，体现在为了研究“实际”而善于“脱离”实际。否则，我们的研究将会无从下手，寸步难行。其二，在建立物理模型的过程中，必须以事实为依据，在综合

8、考虑问题的目的、性质、精确度等的基础上，通过分析、综合、比较等思维过程，抓住影响问题解决的主要因素和主要矛盾，合理舍弃次要因素和次要矛盾，正确抽取研究对象和过程的本质特征。只有这样，才能得出切合实际的、有助于问题解决的物理模型，且不可随心所欲。例如，观察实验表明：两静止带电体间的静电力关系与电量和相对位置有关，还与带电体的大小、形状、电荷的分布情况以及周围的介质等因素有关，要用实验直接确立所有这些因素对静电力的影响是困难的。但是，如果带电体线度比它们间的距离小得多的情况下，那么，静电力就基本上只取决于它们的电量及其之间的距离，这时，我们就可忽略带电体的大小、形状、电荷分布等次要因素，将带电体视

9、为只带有电量的一个几何点点电荷。这一对实际研究对象的抽象，恰是建立库仑定律的基础，也是电磁理论得以建立的基础。其三，我们中学已学过的物理模型主要有：理想对象模型（如质点、理想气体、点电荷、单摆、理想变压器、纯电阻、点光源等），理想条件模型（如光滑平面、轻杆、轻绳、均匀分布、匀强电场、缓慢等），理想过程模型（如匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速圆周运动、简谐振动、等温过程、弹性碰撞等）和对象理论模型（如理想气体的分子模型、经典金属导电模型、哥白尼关于天体运行的太阳系模型、汤姆生的“葡萄干布丁”与卢瑟福的“核式结构”的原子模型、光的波粒二象性模型、波尔与夫金克夫等关于原子核的液滴模型等）。任何物理

10、模型都是对客观实际的近似反映，物理学中的大部分规律都是一定的理想模型在一定的理想过程中所遵循的规律。所以，人们在应用概念、规律、理论来分析解决复杂的、具体的物体或过程时，首先是根据需要解决问题的目的、性质和近似程度，用简化的模型或过程来代替实际的物体和过程，突出主要因素，抓住主要矛盾，研究它的主要性质，挖掘出其中的主要规律，即解决主要矛盾。其次，再考虑问题的次要矛盾，进行修正，从而达到逐步解决实际问题的目的。最后，我们应该清醒地认识到，一切理想模型和理想过程都有一定适用条件和限制，由此而建立的物理规律和理论也有其适用的范围。在我们应用这些规律和理论来分析解决问题时，一定要注意实际的物理对象和过

11、程是否可处理成某个理想对象或理想过程，即要注意这些规律和理论适用的范围，不可随意夸大，否则将导致错误的结果。这也正是同学们在学习物理过程中常犯的错误之一。例如，在研究地球绕太阳公转时，可将地球抽象为质点，而当研究地球自转时，就不能将其视为质点。又如在研究靠得较近的两个线度又较大的带电体间的静电力，就不能简单地用库仑定律来运算，因为库仑定律的适用对象为点电荷。再如牛顿定律仅适用低速宏观的物体，在研究微观高速的问题时，它就不能适用了等。另外，任何物理理论模型都具有假定性，其正确性要靠实验来检验，有时亦可采用理想实验来论证。恩格斯在自然辩证法一书中曾经指出：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假

12、说。”这是由于事物的复杂性，某些事物的本质、组成、结构、规律比较隐蔽，人们一时还搞不清楚，这时就需要在观察、实验、物理思维的基础上提出假说，建立起一个物理理论模型，既总结以往的经验事实，又提供进一步研究和观察、实验的方向，使物理理论随着人们认识的深入和实践手段的提高而不断的修正和完善，有时甚至是摒弃原来的，而建立新的理论。例如伽里略用理想实验驳斥亚里士多德“力是维持运动的原因”的理论；人们对光的本性的认识过程；原子结构的模型等。实际上，物理理论的发展过程，就是假说继续更替和假说不断深化、精确化的过程。假说既是物理理论的体现形式，又是物理研究的一种基本方法。学生：从上面老师所阐述的四个方面，我们

13、确实领会到了物理模型、理想实验、物理假说这些基本的科学方法在物理研究实践中的应用过程和不可缺的重要作用，那么，我们如何才能学会这些方法呢？教师：这又是一个十分关键的问题，是关系到每个同学科学素质的提高问题。我们要使自己做到学会，首先必须对这些方法在实践中的产生、形成和运用程序等科学过程以及作用，有一个比较清晰的认识。例如理想实验，也叫假想或臆想实验。它是人们在真实实验的基础上，在理想或极端条件下，充分发挥自己的想象力，利用逻辑推理又辅助以形象变换的思维过程。它以实践为基础，是源于自身经验而又超出自身经验的一种高级思维活动，它是抽象性与形象性的统一。其目的是审视原有理论的错误和局限，以建立新理论

14、，或进行有力的辩论与反驳。如伽里略的斜面实验，和用栓在一起轻重不同的两个物体下落的理想实验；爱因斯坦在创立狭义相对论和广义相对论时，也大量使用的理想实验等。理想实验这种科学方法，它在发现原有理论的错误和局限，以及建立新的理论等方面都起着重要的作用，而且也是物理学家的一种有力的辩论和反驳的方法。它的一般应用程序是：提出需要研究或评判的课题；设计出不必考虑任何技术困难，实际上往往无法实现的实验（起码是当时无法实现）；充分发挥想象力，并运用推理得出结论。其次，是要注意训练善于调动多种思维，积极参与活动，协同作战。即：既要积极应用分析、比较、分类、综合、抽象、概念、推理等逻辑思维方法，又要善于调动形象思维和直觉思维的积极参与，充分调动大脑中的各种相关知识，发挥想象力，利用各种启示。譬如类比的方法，臻美的方法。卢瑟福在粒子的散射实验的基础上就将原子与太阳系模型进行类比，而提出了原子的格式结构模型；费米将原子核中的核子看成几乎没有相互作用的气体分子，提出了原子核的气体模型；爱因斯坦为了追求光的理论的统一性和普遍性而提出了光的波粒二象性的模型等。最后，就是在自己的学习和实践活动中，要做到善于总结，做到有心人。学生：老师，你能否将物理模型的科学方法给我们