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物理学研究与理想化模型

【发布时间:2015-07-14 15:22:35】? 【来源:李福来】? 【点击量:

物理学研究与理想化模型
365bet游戏注册_365bet体育在线28_365bet tv? 李福来
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物理学所研究的是自然界中最普遍的物质运动现象,是研究物质的一切最基本、最普遍的运动形式和物质各层次的结构、相互作用和运动的基本规律的科学。与其它自然科学相比,物理学更着重于对物质世界普遍而基本的规律的追求。
物理学研究的对象大到星球、小到基本粒子,真可谓千头万绪、纷繁芜杂。当我们对某个对象进行研究时,往往包含着许多的因素,具有多方面的特性,若全面进行研究的话,既不现实也不可能。这就要求我们根据所要解决的特定问题,分析哪些因素是主要的?哪些因素是次要的?突出主要因素,暂时合理地搁置次要因素,即构建一些理想化的模型来代替研究对象。
比如在研究力学中物体的客观运动时,物体的形状、大小、质量、结构、光滑程度、形变等情况千差万别。对于所有的情况,我们不能胡子眉毛一把抓,只能抓住其中的主要因素。这时物体的质量起了关键作用,其它因素影响不太大,这样就可以简化对物体的研究,把物体当作一个具有质量而没有体积的点——质点。质点是从实际中抽象出来的力学研究对象,它突出了物体的位置和质量,是我们学习高中物理时见到的第一个理想模型。“质点”是根本不存在的,它只是实际物体的一种近似。
不仅力学,实际上全部物理学的原理、定律都是对一定理想模型的刻画。可以说,离开了理想模型,物理学将寸步难行。许多有成就的物理学家往往善于提出新的理想模型。例如人们对原子结构的认识经历了以下几个阶段:
一、英国物理学家汤姆生(J.J.Thomson,1856~1940)于1897年发现电子后预见到电子应该是原子的组成部分,于是提出了关于原子结构的第一个模型—面包葡萄干模型,他认为原子是一个球体,正电荷像面包一样均匀分布在整个球内,而电子则像葡萄干一样镶嵌在原子里面。该模型的重要意义在于:它指出了原子内部是有结构的,打破了原子内部带正负电荷的物体对称的概念,标志着原子时代的开始。因此后人称他是“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。
二、卢瑟福(E.Rutherford,1871~1937)是汤姆生的学生,他本来是相信他老师的模型的,为了验证汤姆生模型的正确性,他进行了α粒子散射实验,竟得到了意想不到的实验结果:绝大多数α粒子穿过金箔后基本上仍沿原来的方向前进,但是有少数α粒子发生了较大的偏转。卢瑟福据此判定,原子内部的正电荷必定集中在中心位置,电子的位置必须扩展到以核为中心的球内或球面上,为了构成平衡,电子必须像行星一样绕核旋转着,但原子质量的绝大部分是原子核的质量。这样一个原子的核式模型在卢瑟福提出后很快被大家接受,认为它代表了原子的真实情况。
三、然而,卢瑟福的核式结构模型与经典物理学的理论存在根本矛盾。丹麦物理学家玻尔(N.Bohr)既佩服卢瑟福根据实验事实做出原子有核的大胆判断,又了解这一模型所面临的巨大困难,他认为“只有量子假说是摆脱困难的惟一出路”。并在普朗克、爱因斯坦的基础上提出了量子化的崭新概念,成功地解释了近三十年来人们未能解释的氢原子的光谱规律,即“玻尔的定态跃迁原子模型”。玻尔的原子理论并没有完全摆脱经典理论(比如“轨道”就是最典型的经典概念),它只是一种半经典半量子化的理论,还很不完善。但是,这却迈出了从经典理论向量子理论发展的极为关键的一步。而且,这一理论将光谱学、量子假说和原子核式模型这几个相距较远的物理学研究领域联系在了一起,为现代物理学指明了正确的研究方向,是原子和量子理论发展史上的一个重要里程碑。尽管这一切仅仅是个开头,却已经为量子力学宏伟大厦的建立打下了坚实的基础。
四、大约在玻尔的原子模型建立十年之后,科学家们建立了完全量子力学模型,运用量子的概念代替了玻尔的半经典半量子的概念。
下列是中学物理课本中的部分理想模型:
模型
模型特点
质点
忽略了物体的大小、形状和转动。
分子
将分子看作小球,是对分子的简化模型。
弹簧振子
小球和水平杆之间的摩擦忽略不计,弹簧质量比小球的质量小得多。突出了弹簧的弹性和小球的质量。
单摆
忽略了悬挂小球的细线的伸缩和质量,同时线长比球的直径大得多。它是实际摆的理想化的物理模型。
点电荷
只要带电体本身的大小跟它们之间的距离相比可以忽略,带电体就可以看作是点电荷。
点光源
在研究某个光学问题时,如果光源很小,而它到我们的距离很远,这时可以把这个光源看作一个能发光的点,这样的光源称为点光源。
理想气体
1、???????????? 分子本身的大小比起分子之间的平均距离来可以忽略不计。
2、???????????? 气体分子在做无规则运动过程中,除发生碰撞的瞬间外,分子相互之间以及分子与容器壁之间,都没有相互作用力。
3、???????????? 分子之间以及分子与器壁之间的碰撞是完全弹性的,即气体分子的总动能不因碰撞而损失。
理想变压器
忽略了原副线圈的电阻和各种电磁能量损失的变压器。
理想滑轮
忽略滑轮的摩擦和形变。
理想电压表
它的内阻是∞。
理想电流表
它的内阻是0。
理想电源
它的内阻是0。
理想模型是由真实物体抽象出来的,它在一定程度上是客观实际的反映。看来建立起一个理想模型绝非易事。它不是某一个天才一拍脑袋偶然得到的,而是对真实世界的客观对象进行大量细致入微的实验以及深思熟虑、全面分析之后的产物。这种科学的抽象更深刻、更正确、更完全地反映着自然。随着研究的深入,理想模型还要不断进展、不断升级,直至无限接近真理的彼岸。
总之,在物理学的研究中,建立合理的物理模型具有十分重要的意义。合理的物理模型是抽象思维的产物,是人脑对物理现象、过程本质的一种反映,是研究客观物理规律的一种行之有效的方法。同时还应看到理想化模型与客观存在的真实原型之间的差别,另外还应注意它们的应用条件、应用范围等。在高中物理教学中,要特别注意培养学生建立合理的物理模型的能力。
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