物理科学物理模型法的分类与实例

在物理学中,物理模型的意义非常重大。通过物理模型,可以使各种研究对象、环境条件、物理过程简单化,从而方便我们认识复杂的事物及其变化过程。物理模型可以分为对象模型、条件模型、过程模型三大类。

1、对象模型

现实世界中的研究对象往往非常复杂,这给我们带来了不少麻烦。比如对于最常见的光源——灯泡,灯丝的形状比较复杂,灯泡的外形和大小也各不相同。但在物理学中,灯泡外形上的差异是次要因素,我们需要的只是它发出的光。因此,我们可以忽略灯泡的大小、外形等次要因素,将灯泡简化成一个能发光的点,称为“点光源”,那么这个点光源就是一种对象模型了。

点光源模型

接下来就是现实世界中的光了。光有一定的传播路径和方向,还有亮度、颜色之分。如果要研究光的传播特点,那么光的亮度、颜色就是次要因素,就可以忽略。于是,我们仅仅用一条带箭头的直线来表示光,称为光线。所以,光线也是一种对象模型。

光线模型

我们再来看透镜。不少戴眼镜的同学可能已经发现了,近视眼镜片的两个曲面,都是向前弯曲的。实际的透镜也是外形各异的,只要透镜的两个面中有一个是曲面,就属于透镜。这样的话,透镜的形状太多了。对于凸透镜,不管什么形状的凸透镜,外形是次要因素,会聚作用才是主要因素,对于凹透镜也是如此。于是我们忽略透镜的复杂外形,最终简化成两个简单的符号,这也是一种对象模型。

透镜模型

2、条件模型

现实中的物理情景都是处在一个条件复杂多样的环境中,比如温度、空气阻力、物体表面是否平滑、介质是否均匀等,为了研究问题的方便,可以将这些条件理想化。再比如与研究对象连接的线、绳、杆、弹簧等本身的质量等等。如果这些附属物的质量对研究对象影响不大,那就可以忽略。这就是条件模型,具体举例如下:

①不计空气阻力。空气虽然看不见、摸不着,但它真实存在。与水一样都属于流体。物体在水中运动会受到来自水的阻力,同样,物体在空气中运动也会受到空气对它的阻力。但与物体受到的其他力相比,空气阻力显得微不足道,因此可以忽略。那么,不计空气阻力就是一种条件模型。

②光滑表面。现实中的物体表面并不是你想象中的那么平滑,在放大镜或显微镜下,即使是玻璃表面也是凹凸不平的。这样,一个物体在另一个物体表面运动时,就会收到阻力。将一块橡皮放在玻璃板上,用手指弹一下橡皮,橡皮滑动一段距离后还是会停下,这就是阻力的作用效果。相对于其他力,如果物体表面产生的阻力很小,即可忽略,光滑表面的物理模型由此建立,那是一种没有摩擦阻力的理想条件。

光滑表面模型

③细线。用量筒和水测量固体体积时,细线也会随着物体浸入水中,但细线的体积可以忽略。类似的还有忽略质量的杠杆、弹簧等。

3、过程模型

忽略次要因素的物理过程称为过程模型。初中阶段接触不多,最典型的就是匀速直线运动模型。滑冰过程中停止用力动作后的一段滑行,忽略阻力,即可视为匀速直线运动;站立在自动扶梯上的人,忽略微弱的震颤,可视为匀速直线运动。

匀速直线运动模型

忽略次要因素,将对象简化、将条件和过程理想化,都属于物理模型的思想。



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