物理科學——物理模型法的分類與例項

在物理學中,物理模型的意義非常重大。透過物理模型,可以使各種研究物件、環境條件、物理過程簡單化,從而方便我們認識複雜的事物及其變化過程。物理模型可以分為物件模型、條件模型、過程模型三大類。

1、物件模型

現實世界中的研究物件往往非常複雜,這給我們帶來了不少麻煩。比如對於最常見的光源——燈泡,燈絲的形狀比較複雜,燈泡的外形和大小也各不相同。但在物理學中,燈泡外形上的差異是次要因素,我們需要的只是它發出的光。因此,我們可以忽略燈泡的大小、外形等次要因素,將燈泡簡化成一個能發光的點,稱為“點光源”,那麼這個點光源就是一種物件模型了。

物理科學——物理模型法的分類與例項

點光源模型

接下來就是現實世界中的光了。光有一定的傳播路徑和方向,還有亮度、顏色之分。如果要研究光的傳播特點,那麼光的亮度、顏色就是次要因素,就可以忽略。於是,我們僅僅用一條帶箭頭的直線來表示光,稱為光線。所以,光線也是一種物件模型。

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光線模型

我們再來看透鏡。不少戴眼鏡的同學可能已經發現了,近視眼鏡片的兩個曲面,都是向前彎曲的。實際的透鏡也是外形各異的,只要透鏡的兩個面中有一個是曲面,就屬於透鏡。這樣的話,透鏡的形狀太多了。對於凸透鏡,不管什麼形狀的凸透鏡,外形是次要因素,會聚作用才是主要因素,對於凹透鏡也是如此。於是我們忽略透鏡的複雜外形,最終簡化成兩個簡單的符號,這也是一種物件模型。

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透鏡模型

2、條件模型

現實中的物理情景都是處在一個條件複雜多樣的環境中,比如溫度、空氣阻力、物體表面是否平滑、介質是否均勻等,為了研究問題的方便,可以將這些條件理想化。再比如與研究物件連線的線、繩、杆、彈簧等本身的質量等等。如果這些附屬物的質量對研究物件影響不大,那就可以忽略。這就是條件模型,具體舉例如下:

①不計空氣阻力。空氣雖然看不見、摸不著,但它真實存在。與水一樣都屬於流體。物體在水中運動會受到來自水的阻力,同樣,物體在空氣中運動也會受到空氣對它的阻力。但與物體受到的其他力相比,空氣阻力顯得微不足道,因此可以忽略。那麼,不計空氣阻力就是一種條件模型。

②光滑表面。現實中的物體表面並不是你想象中的那麼平滑,在放大鏡或顯微鏡下,即使是玻璃表面也是凹凸不平的。這樣,一個物體在另一個物體表面運動時,就會收到阻力。將一塊橡皮放在玻璃板上,用手指彈一下橡皮,橡皮滑動一段距離後還是會停下,這就是阻力的作用效果。相對於其他力,如果物體表面產生的阻力很小,即可忽略,光滑表面的物理模型由此建立,那是一種沒有摩擦阻力的理想條件。

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光滑表面模型

③細線。用量筒和水測量固體體積時,細線也會隨著物體浸入水中,但細線的體積可以忽略。類似的還有忽略質量的槓桿、彈簧等。

3、過程模型

忽略次要因素的物理過程稱為過程模型。初中階段接觸不多,最典型的就是勻速直線運動模型。滑冰過程中停止用力動作後的一段滑行,忽略阻力,即可視為勻速直線運動;站立在自動扶梯上的人,忽略微弱的震顫,可視為勻速直線運動。

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勻速直線運動模型

【小結】忽略次要因素,將物件簡化、將條件和過程理想化,都屬於物理模型的思想。