物理模型的应用Word文档下载推荐.docx

1、2.模型的概念13.物理发展中的重要模型应用34.物理学发展中模型的作用55.模型的多样性及局限性76.结束语8参考文献9浅析模型在物理发展中的作用摘要：物理学是随着人类社会实践的发展而产生、形成和发展起来的，它经历了漫长的发展过程。纵观物理学的发展史，根据它不同阶段的特点，大致可以分为物理学萌芽时期、经典物理学时期和现代物理学时期三个发展阶段。如今物理学已成为现代科学技术的基础,它的成就和研究方法已渗透到了几乎所有的科学领域,而且在培养思维能力和实验能力等方面有不可替代的作用.物理学研究的主要方法之一是运用模型，它是为便于研究而建立的一种高度抽象的理想客体,它抓住物质的主要特征,忽略次要因素

2、,形成一种经过抽象、概括了的理想化的模型.作为科学抽象的结果,理想模型也是一种科学概念,可是,它不同于一般的科学概念,把握好这一概念的思维,掌握好这一概念的思维能力,就既能使问题得到了简化,又不影响问题的本质,让问题迎刃而解.关键词：模型；物理发展；思维能力；作用1. 引言物理研究的是自然最普遍的物质运动现象，是研究物质的一切最基本、最普遍的运动形态和物质各层次的结构相互作用和运动的基本规律的科学。物质在运动变化过程往往要受到其自身和周围环境中其它各种复杂因素的影响或制约。而在研究实际问题时，如果不加分析地把所有因素都考虑进去，那么势必增加研究问题的难度。因此，人们常常遵循化繁为简的原则，有意

3、识地突出研究对象的主要因素，忽略次要因素或无关紧要因素的干扰，抽象出能反映事物本质的理想化模型。模型它能保留对研究问题起决定影响的主要因素，建立科学的抽象模型，清晰地反映被研究问题的 本质特征，呈现问题所包含的主要矛盾，便于我们分析和发现物质运动的主要规律。理想模型法已成为一种重要的科学研究方法，并且被广泛地应用于各个领域。2. 模型的概念2.1模型的含义及发展历程模型，英文中叫model，源出于拉丁文的“modulus”，即尺度、样本的意思。在研究问题时，钱学森曾这样说过：“在问题清楚的基础上，就可以建立模型，模型不等于现象本身，却吸收了一切主要因素，略去了次要因素，而能反映现象的内在机理。

4、”在现代科学中，模型就是原型的样本，是对现实系统的描述和模仿。模型方法就是预先设计一个与原型相似的模型，然后通过对模型的研究来揭示系统的特征和规律。使用模型的方法由来已久，我们的祖先在长期的社会实践中，逐步认识了不同的客观事物之间存在某些方面的相似关系，因而逐渐地摸索出运用模型方法来研究复杂事物的丰富经验。由于古代生产实践水平较低，科学技术不发达，人们所应用的模型方法比较简单、有限，一般只是建立在几何相似基础上的缩尺模型和一些简单的抽象模型。我国宋代著名思想家沈括就用版面涂粉的弹丸来模拟月亮，以探讨月亮、太阳之形态，以及月食等现象。显然，建立模型的方法已在这里初露端倪，尽管它还很原始、粗糙。随

5、着近代科学技术和社会生产力的迅速发展，人们进行模拟实验的愿望越来越强，进行的尝试也越来越广泛。随着资本主义生产方式的产生，科学技术从宗教神学的桎梏下解放出来大踏步前进以后，模型方法也有了很大的发展。逐渐近代科学实验从生产活动中分离出来，作为特殊的社会实践形式，模型方法与实践方法相互渗透交融在一起，其结果不仅使模型方法由于运用了科学实验的方法，利用仪器、设备进行精密的测量而更加精确，科学实验也由于引进了模型方法，也使得实验方法产生了变革，即由直接实验扩展到间接实验，在研究某个客体、现象和过程时，先设计和建立一个相似的模型，在模型上进行实验研究，然后将结果转移到原型上去。20世纪以来 ，随着科学技

6、术的发展 ，人类认识和实践范围的扩大，模型方法的内容愈来愈丰富，形式也更加多样，特别是电子计算机被运用于模型方法，使得模型方法应用的领域更加广阔，地位和作用就显得更为重要，不仅在科学技术领域，而且在经济、政治、军事等社会领域中都得到了运用。2.2模型的类型2.2.1理想模型这是对研究客体所做的一种科学抽象，也是一种简化或理想化。实际的物体都是拥有多种属性的，并且处于与其他物体的相互作用中。但是当我们将某一物体作为特定的研究对象，针对某种目的，从某种角度进行研究时，有许多没有直接关系的属性和作用可以忽略不计。例如，牛顿首创的质点模型，就是一个最典型的理想模型，至今有着极为广泛的应用。只要我们所考

7、察的运动仅涉及物体的位置移动，并且所涉及的空间尺度比物体自身的尺度大得多时，都可以用质点模型来代表所研究的客体，不但微观世界中的电子、质子、中子等基本粒子，地球上的各种物体，就是恒星、行星等各种天体，甚至大到由数十亿个恒星组成的星系等都可用质点模型来代表，都是很有效的。如果我们要研究的客体运动，需要涉及它自身的转动时，质点模型便不适用了，于是又抽象出刚体模型。刚体表示一种形状确定不变的物体，也就是说物体中任意两点的距离是不变的。真实的物体在受到力的作用时，多少会发生形状的变化，当这种形变可以忽略不计时，便近似于刚体，所以刚体也是一种简化了的理想模型。只要我们所研究运动仅涉及平移和转动，而不涉及

8、物体的形变时，刚体便是很有效的科学模型。但是，需要考虑物体的形变时，刚体模型就不适用了，于是又需要抽象出理想的弹性体模型。科学研究离不开科学抽象，简化了的理想模型作为科学抽象的结果，在物理学中比比皆是。例如，点电荷、绝对黑体、理想流体、理想热机等。2.2.2数学模型建立数学模型的基本点就是寻找出所研究的实际问题与某种数学结构的对应关系，从而使实际问题能得到简化，归结成为一个数学问题。数学结构是由这样一些元素如定义、公理、命题、算法等构成的，因此，需要建立实际对象与各元素之间的对应关系。所对应的数学结构可能是数学中原来就有的，也可能是研究者根据需要来创立的。牛顿在研究太阳系的行星运动时，并无现成

9、的数学结构供他使用，他在研究过程中创立了微积分这样一种新的数学系统。他首先以质点代表行星和太阳，进而把质点的速度与一阶微商相对应，把质点的加速度与二阶微商相对应，根据已知的力学定律，对行星运动建立起二阶线性微分方程这样一种数学模型。微积分以后转化为数学的重要的组成部分，这种二阶线性微分方程则始终是在科学技术中运用十分广泛和得力的一种数学模型。我们要研究的实际问题层出不穷、千姿百态，建立起来的数学模型也是多种多样，丰富多彩。数学的不断发展，为我们提供愈来愈多的数学结构。如果所研究问题十分复杂，变量和关系极多，所建立的数学模型不借助于计算机就无法实际应用，因此就要尽可能直接用计算机语言来模拟各种变

10、量之间的关系，即所谓计算机仿真模型。2.2.3理论模型这是对所研究的某个对象领域中的某个基本问题及其相关问题，在积累了相当多的科学事实的基础上，系统地进行分析和综合，提出基本概念，并据此进行推论，对这一领域中的有关诸问题给出理论上一以贯之的回答和说明，还要提出新的预见，以求实验证实。在自然科学中，特别是在比较成熟的所谓精密科学，如力学中，所建立的理论模型都是定量化的，也就是说，是包括了数学模型的，能从一定的基本概念和数量关系出发，进行推理和演算，对有关的各种现象和问题，做出定量的解释和回答，并且推导出新的预言，做出指明一定误差范围的预测。因此，作为一种科学学说的理论模型，一般是一种“假说演绎体

11、系。”3. 物理发展中的重要模型的应用3.1物理学萌芽时期的主要模型假说物理学萌芽时期开始于大约公元前 4 世纪，亚里士多德在其所著物理学中总结了若干观察到的事实和实际的经验。物理学知识是包括在统一的自然哲学之中的。那时人们对自然界的认识主要依靠不充分的观察，和在此基础上进行的直觉的、思辨性猜测，来把握自然现象的一般性质。 在这个时期，首先得到较大发展的是与生产实践密切相关的力学，如静力学中的简单机械、杠杆原理、浮力定律等。光学方面，积累了关于光的直进、折射、反射、小孔成像、凹凸面镜等的知识。在古希腊的欧几里德等的著作中也有光的直线传播和反射定律的论述，并且对光的折射现象也作了一定的研究。电磁

12、学方面，发现了摩擦起电、磁石吸铁等现象，并在此基础上发明了指南针。 物质结构和相互作用方面，提出了原子论、元气论、阴阳五行说、以太等假设。这个阶段称不上系统的自然科学，物理学尚处在萌芽阶段。由此我们不难得知，在物理学的萌芽时期，主要的模型是理论模型，即假说。但此时人们的积累的经验不能与今日的相比，而大多是观察和哲学的思辨。3.2经典物理学时期的主要模型理想模型十五世纪末叶，资本主义生产关系的产生，促进了生产和技术的大发展；席卷西欧的文艺复兴运动，解放了人们的思想，激发起人们的探索精神。近代自然科学就在这种物质的和思想的历史条件下诞生了。系统的观察实验和严密的数学演绎相结合的研究方法被引进物理学

13、中，导致了十七世纪主要在天文学和力学领域中的“科学革命”。牛顿力学体系的建立，标志着近代物理学的诞生。整个十八世纪，物理学处在消化、积累、准备的渐进阶段。新的科学思想、方法和理论，得到了传播、完善和扩展。牛顿力学完成了解析化工作，建立了分析力学；光学、热学和静电学也完成了奠基性工作，成为物理学的几门基础学科。人们以力学的模型去认识各种物理现象，使机械论的自然观成为十八世纪物理学的统治思想。到了十九世纪，物理学获得了迅速和重要的发展，各个自然领域之间的联系和转化被普遍发现，新数学方法被广泛引进物理学，相继建立了波动光学、热力学和分子运动论、经典电磁场理论等完整的、解析式的理论体系，使经典物理学臻

14、于完善。由物理学的巨大成就所深刻揭示的自然界的统一性，为辨证唯物主义的自然观提供了重要的科学依据。在此阶段，运用的主要模型可以有物理的各分支学科看出。力学上，研究物体的运动时,我们常常把可以忽略其大小和形状的物体当作质点。质点是力学中很重要的一个理想的物理模型。在许多的实际问题中，物体的形状和大小与所研究的问题无关或者所起的作用很小，我们可以在尺度上把它看作一个几何点，而不必考虑它的形状和大小，它的质量可以认为就集中在这个点上，这种抽象化的模型，叫做质点。热学上，理想气体的假设。理想气体是不存在的，它只是实际气体在温度不太高和压强不太大的条件下的近似。它是一种重要的理论模型，它是实际气体在压强

15、趋于零时的极限。在通常压强下，可以近似的用这个模型来概括实际气体，压强越低，这种概括的精度越高。从微观的角度来看，理想气体是忽略了气体分子之间相互作用的一个理想模型。光学上，点光源的运用。点光源也是一个理想的物理模型。当光源自身的限度远远小于光到物体之间的距离时，而且光是向各个方向均匀发散的，这样的光源叫点光源。显然，点光源不一定是很小的光源。在几何光学中，由于不考虑光能的问题，故可将点光源看成为几何点。电学上，如果带电体的线度比带电体之间的距离小得多，那么静电力就基本上只取决于它们的电量和距离，满足此条件的带电体叫做点电荷。点电荷的概念类似于力学中的质点的概念。可以知道，主要的模型是理想模型

16、，这使问题的分析得到了极大的简化，推动了物理学极大的发展。3.3现代物理学时期的主要模型数学模型十九世纪末叶物理学上一系列重大发现，使经典物理学理论体系本身遇到了不可克服的危机，从而引起了现代物理学革命。由于生产技术的发展，精密、大型仪器的创制以及物理学思想的变革，这一时期的物理学理论呈现出高速发展的状况。研究对象由低速到高速，由宏观到微观，深入到广垠的宇宙深处和物质结构的内部，对宏观世界的结构、运动规律和微观物质的运动规律的认识，产生了重大的变革。相对论的量子力学的建立，克服了经典物理学的危机，完成了从经典物理学到现代物理学的转变，使物理学的理论基础发生了质的飞跃，改变了人们的物理世界图景。

17、物理学发展到这个阶段，所研究问题已经十分复杂，因此逐渐更多的开始运用电子计算机被运用于模型方法，由于问题复杂，变量和关系众多，所建立的数学模型不借助于计算机就无法实际应用，因此就要用到我们所说的计算机仿真模型。在研究对象日益复杂而计算机的应用日益广泛的情况下，建立这种计算机仿真模型，已成为模型发展的主要趋向。4. 物理学发展中模型的作用4.1科学研究的间接方法物理的发展长河里，模型方法是一种基本方法，由于模型方法是运用各种模型代替现实系统进行间接的实验，因此它又具有一般实验方法（直接实验）所不具备的功能。有些自然和社会系统，它的空间范围很大，过程延续的时间又很长，以至几代人的生命延续所不能及，

18、很难或者根本不可能在较短时间里对它们进行直接的试验 ，只有通过模型方法 ，建立起各种模型来进行间接的实验。由于在系统分析中模型既是实验的对象，又是分析研究的方法和工具，因此它具有一般实验方法的简化、强化等功能。对于一些多层次、多变量的复杂系统，可以利用模型在一个完全可控的条件下，对系统进行简化和纯化，以研究原型特征和可能出现的各种情况。在模型实验中可以造成在自然界中无法直接控制，而在生产过程中又难以实现的特殊条件，使系统变化过程按指定方向强化，发现前所未知的新现象、新规律 。并能缩短真实过程的时间 ，在较短时间内（如几天、几个月）重演在较长时间内（如几年甚至几十万年）才能重复出现的现象，从而加

19、深对被研究客体系统本质的认识。因而很大程度上推动了物理发展的进程。4.2科学模型的研究纲领作用在物理的发展过程里，模型，特别是是科学的模型起到了作为准则的纲领作用，引领着物理学不断向前发展。科学模型只有在人们对于客体已具有一定认识、积累了一定知识、数据和资料的基础上才有可能建立起来。建立模型是对已有的经验、知识进行去伪存真、去粗取精的思维加工过程。模型本身体现为对客体的已有认识的总结，是科学认识的一种阶段性成果。然而，模型又不仅是已有认识的总结，作为科学工作者的创造，又加进了人们的新的猜测和假设，含有新的概念和思想。因此，科学模型，特别是理论模型又是进一步研究客体的新起点。科学模型不但开启科学

20、研究的新阶段，还开启的科学研究的新方法。例如，自从有了理论模型（假说演绎体系）科学家们就在理想模型的基础上开创了一种特殊的理论推导方式，称为思想实验（或理想实验、假想实验）。在思想实验中，可以超越具体物质条件的限制，设想某种极端的、极限的条件，如绝对的真空，绝对的光滑等，使终止了的实际实验在思维中逻辑地进行下去，从而获得某种新的认识，得到某种新的结论。爱因斯坦曾根据伽利略发现惯性定律的经过高度评价思想实验的作用，事实上，他创立狭义相对论和广义相对论时都充分运用和发挥了思想实验的作用。建立起新的理论模型，必须回答这个新的理论是否能够说明各种与其有关的实验现象，是否能对过去已知的事实，作出回溯性的

21、合理的科学解释，是否能够预见新的事实？为此，需要进行一系列的科学研究工作。要以新的理论为出发点，一方面设计实验，一方面进行理论的推导和计算，有目的有计划地把实验研究工作和理论研究工作全面推开。因此，对于科学研究来说，一个新的理论模型实际上能起到一种新的研究纲领的作用，使研究工作获得极大的推动和展开。因而有的科学家说：建立一个完美的模型，比一千个事实还要珍贵。4.3模型研究对实践的指导作用和预测性模型是对实际客体的一种合理的正确的抽象，与实际情况相比，具有简化、优化和理想化的特点。所以，在模型上进行研究的结果，一般优于实际结果。这样，就能以科学模型所提供的优化条件作为追求目标，使人们找到在实践中

22、怎样改善实际客体或环境条件，以争取达到最佳或较佳效果的方向和途径。一个科学史上的经典例子就是怎样提高热机的效率问题。工程师卡诺（Carnot, Nicolas, Leonard Sadi）仔细考察了实际的蒸汽机内的气体循环过程，研究了其中温度、压强、体积、能量之间的变化关系，抽象出工作于两个恒温热源之间的由四个基本的可逆过程（绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩、等温膨胀）构成的一部可逆热机作为理想模型，通过这一科学模型研究，计算理想热机的效率，得出两个结论：（1）可逆热机效率正比于高温热源与低温热源的温差，而与工作物质无关。（2）作用于两个一定温度之间的热机，以可逆机的效率最大。这两个结论从理论上指

23、明了提高热机效率的根本方向和原则：一是尽可能增大两个热源之间的温差；二是尽可能使实际热机接近于理想的可逆机。这样的理论结论对于人们在实践中怎样实际地去提高热机效率确实起到了指导作用。通过科学模型预测某一事物的未来发展情况，无论是做出短期的还是长期的预测，定性的或是定量的预测，对于人们的实践活动都有重要意义。现在，有了电子计算机这样强有力的科学手段，使许多复杂问题的预测成为可能，使人们对事物的发展有预见、有远见，这对于决策和管理的科学化是大有帮助的。可见，模型在物理学发展中，扮演着一个十分重要的角色，它将问题简化，同时强化问题的重点，便于研究者分析，并且科学的模型成为一种宝贵的经验和思维方式，指

24、导者物理学家们继续向前，引领者物理学不断发展，延伸至更多领域，是物理学成为世界上一门伟大的科学。5. 模型的多样性与局限性5.1多样性对同一问题构建的科学模型不具有唯一性。因此，在科学认识活动中表现以下两方面情况。一方面，对同一研究对象，常有多个模型并存，形成相互竞争或对峙的局面；另一方面，对同一问题的认识深化过程，实际上也就是多种模型逐个更迭的过程。在科学实践中，对于不同的模型，人们当然要对它们进行比较、评价和筛选。评价固然要受多种因素的影响，但主要是根据模型在推进人们的认识过程中所做出的贡献。模型的使用过程，同时也是经受检验、获得评价的过程，并进而决定人们对模型的取舍。5.2局限性建立一定

25、的物理模型，对于物理学理论的发挥起到过并且仍然起着重要的作用，但人们常常被许多理想模型的功绩所折服，而忽略了问题的另一方面，即在物理学理论发生重要突破的关键时刻，一些崭新的概念或原理往往是挣脱原有种种模型的束缚，且不倚赖于任何具体模型而诞生出来的。以原子结构的玻尔模型为例。为了解释当时已经发现的原子结构的规律性，玻尔大胆地越出了经典物理学原理的限制，提出了关于电子轨道量子化的假定，从而取得重要的成果。但这一模型并没有完全挣脱经典物理学的束缚，表现为它不能解释电子运动的稳定性，也不能解释出在不同状态之间的跃迁几率问题，这些问题在量子力学出现之后才得到解决，测不准原理告诉人们，象电子这样的微观粒子

26、本来就不可能有经典的运动轨道。这就是说玻尔理论是新的量子力学普遍原理的结果。此后，人们进入了微观物理学的新纪元，就不再需要玻尔模型了。模型方法虽是系统方法中的一种基本方法，但它也不是惟一的方法，它和其他方法一样，不是万能的，而是必须与其他各种方法紧密结合才能充分发挥模型方法的作用，这是要特别注意的。我们只能在适用的范围内运用模型方法，才是有效的。6.结束语 塑造一个有效的科学模型，既要严格地以原型为依据，又要广开思路，敢于提出大胆设想，它是艰苦的科学思维和科学劳动的成果，又是令人赞赏的富有魅力的科学艺术品，是多种知识、多种思维和多种方法相融合的产物。科学工作者要充分发挥想象力，善于联想和类比，

27、善于捕捉直觉在刹那间闪现的新观念、新思想；也必须充分发挥科学抽象和逻辑推理的力量，进行认真的归纳和演绎，进行科学的分析和综合。总之，要使经验方法与理论方法结合，逻辑思维与非逻辑思维并用。科学模型能起作用，正因为其中凝结着科研工作者的经验、思维、知识、方法和技巧，是智慧与勤奋的结晶参考文献1吴国盛，科学的历程M，北京大学出版社，20082曾谨言，量子力学教程M，科学出版社，20053罗圆圆，大学物理M，江西高校出版社，20064杨桂林，近代物理M，科学出版社，2006.75张 丹，浅谈物理学的发展J，科技信息，2009年 第25 期6安 玲，浅谈建立物理模型的思维方法J，新疆教育学院学报，199

28、8年第1期7林生华，物理模型的建立与迁移J，宁德师专学报（自然科学版），第11卷第1期8史纪元，谈物理模型及其应用J，潍坊高等专科学校学报 1999年第2期9彭永丽，关于物理模型J，青岛远洋船员学院学报，1996第1期10谈庆明，钱学森对近代力学的发展所做的贡献，中国科学院力学研究所，10008011甘祥根. 物理模型及其应用J. 广东技术师范学院学报, 2004,（06）12张遂生. 摆脱物理模型的“束缚”J. 物理教学探讨, 2003,（04）The Brief Analysis Of The Effects Of Modle In The Development Of PhysicsAb

29、stract: As the development of human society, Physics produces , grows and develops.There is a long process of its development.Look at Physicss histoty, it can be cut into 3 stages based on it characteristics of different period,including embryo,classical and modern.Today, Physics has been one of the

30、 basic subjects of modern science. Its achievements and methods are pervasive in almost every scientific area and become irreplaceable in fostering ideation and laboratory capatility.Using modle is one of the major methods to studying problems in Physics.This method makes a ideal subject which is of

31、 high level of abstraction so as to make it easy in study.It lays stress on the primary characters and neglect the secondary ones then come into being a ideal abstract and genetalized modle.As the fruit of scientific abstraction, modle is also a scientific concept.However, its not a general one.If we master the ideation of the concept