物理模型的分类管窥物理模型的思维方法

教学改革武汉船舶职业技术学院学报2008年第2期—
物理模型的分类管窥物理模型的思维方法
汪 宝 元
(湖北大学，湖北武汉430062)
摘要物理模型方法作为科学思维方法的一种基本形式，在物理科研、教学和学习过程中有着不可或缺的作用.本文
阐述了物理模型的分类和特点，使物理教学在关注知识的同时，注重物理思维、方法的学习和培养。
关键词物理模型;实体模型;虚拟模型;理想模型，理论模型
中图分类号G642。4 文献标识码A 文童编号1671一8100(2008)02一0088一03
物 理 学 的研究对象遍及整个物理世界，面对
纷繁复杂的物理世界，只有采取抓住主要矛盾、忽
略次要矛盾的科学思维方法，才能认识事物的本
质和规律，才能理出清晰的物理概念和物理规律，
最终才能构建物理学理论的大厦。物理模型法便
是这种科学思维方法的具体应用。
1 模型与物理模型
在 现代 科 技文献和日常语言中，模型一词通
常有两种用法:其一，指某一对象(原型)复制品或
样本。这类模型中最常见的是比例模型，它们中
有些被用来充当原型的象征或标志，如船模、高层
建筑模型等，还有一些是作为原型的替代品被用
于特定的实验研究，如风洞实验室中的微型飞机、
水工实验室中的河床模型等。其二，是指与某一
对象(原型)具有一定相似性的系统。它包括:①
以物质形态体现或模拟了对象的结构、功能或运
行规律的实物相似模型。如根据蝙蝠超声波回音
定位机理设制的“声纳”定位器，模拟人体部分运
动与操作技能的机器人等。②以观念的形态摹写
或描述了原型的某些特征、性质、规律的抽象的相
似模型，这就是人们常说的思想模型。思想模型
是人们在一定的感性认识的基础上，经过分析、比
较、抽象、概括、想象等复杂的思维加工而得到的，
并且它们最终还必须采取概念、判断、符号、公式、
图表的形式表现出来。
物 理 模 型大多数指的是思想模型，一般有广
义的解释和狭义解释。从广义上讲，物理学中的
各种基本概念，如物质、长度、时间、空间等都可称
为物理模型，因为它们都是以各自相应的现实原
型(实体)为背景，加以抽象出来的最基本物理概
念。从狭义上讲，只有那些反映特定问题或特定
具体事物的结构才叫物理模型，如质点、刚体、理
想气体等。本文中的物理模型指狭义的物理
模型。
2 物理模型的分类
2.1 实物模型
它 采 用 缩小或放大几何尺寸并简化繁杂部
件，突出与工作原理紧密相关的部件，制作出与原
型某一方面或几方面相似的实体模型。如地球模
型、火车模型、水轮机模型、内燃机模型、机器人模
型等。在物理教学中，可以利用这些模型使学生
了解其结构、特征、工作原理等。
2.2 理想模型
理 想 模 型是物理模型中最重要、运用最广泛
的模型。它是以客观研究对象为基础，突出其主
要因素，排除其次要因素而建立起来的。常见的
理想模型大体可归纳为以下几类:
2.2.1 实体模型
实 体模 型 是建立在客观实体的基础上，对其
几何结构和系统特征进行抽象化的结果。实体模
型可分为三类:
收稿日期:2007一12一26
作者简介:汪宝元，男，现就职于湖北大学物理与电子技术学院。研究方向:物理实验，微电子，材料学.
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物理模型的分类— 管窥物理模型的思维方法汪宝元
① 点 模 型
点模 型 的 共同特点是忽略了研究对象的几何
大小，把其视为空间中的一个点— 即在空间只
有确定的位置而不占据空间的体积，如质点、单
摆、电荷元、电流元、点光源等。这种理想化方法
避免了诸如转动、场强叠加等复杂的难题，突出了
对事物本质的研究，建立起了简单明了的物理规
律。例如，以地球运动为例，地球既有自转又有公
转，其表面各点的运动情况各不相同，要想确定运
动情况很困难，但在研究地球绕太阳公转时，忽略
其自转的次要因素，把地球视为质点，便较容易的
确定它的运动规律。由此可见，点模型的建立并
不一定要求与客体形态很接近，而在于主要因素
与次要因素处理的是否得当。
② 粒 子 模型
粒 子 模 型是科学家在微观粒子不同层次的研
究中，为研究方便而建立起来的各种物理模型。
基本粒子模型如电子、质子、中子等，跟基本粒子
相对应的还有各种反粒子模型。最早发现电子的
反粒子并建立起正电子模型的是狄拉克，他为了
解决负能问题，提出空穴理论，指出电子有它的反
粒子，称为正电子。正电子具有与电子同样的质
量、寿命、自旋、电量等，但所带电荷性质与电子相
反，这便是正电子模型。现在已经知道，每一种粒
子都有自己的反粒子，反粒子和粒子有很多相同
的性质。粒子和反粒子的发现及其模型的建立，
为人们研究微观物理世界打开了一道大门。
③ 结 构 模型
结构 模 型 是简化物质自身的结构关系和自身
的内作用特点而建立起来的模型。例如:刚体:物
体自身不产生形变(忽略自身的结构作用);理想
流体:流体自身层面之间无粘滞力(忽略自身的结
构作用;无限大平面:绝对至大至平;杠杆:无形
变;弹簧振子:轻质弹簧和质点构成。
2.2.2 虚拟模型
虚 拟 模 型是人们为了表示研究对象的某些性
质而虚拟的模型，这类模型都不与客观实体对应，
但对所研究对象的某些性质和规律，能起到非常
形象直观的效果。例如，为了描述电磁场的性质
建立了电力线、磁力线、等势面、磁力体、磁荷等模
型;在几何光学中为了作图方便及理解光的可逆
性采用了虚焦点、虚焦距、虚像、虚光源等模型;在
流体力学中为了描述流体的流动性建立了流管、
流线模型。这些模型虽然不代表客观实在，但是
为学习或研究对象的某些属性，有着不可或缺的
作用。如，有了磁力线模型，便可对磁体周围的磁
场做出几何描述，了解其分布状态，确定磁场内任
一点的磁场分布，定性了解该点的磁场强度大
小等
2.2.3 系统模型
一 般 是 忽略外界对系统的某些影响，并简化
系统内部的相互作用而建立起来的模型。例如:
保守力系统:忽略系统内外非保守力的作用;热力
学系统:忽略系统内外非热力学因素的影响;绝热
系统:忽略系统与外界的热交换;力学系统:指遵
循牛顿三大定律、相互作用物体的全体;平行板电
容器:忽略外界电场的影响;LC振荡电路:忽略
电磁辐射。此外还有电荷系统、电磁系统、似稳电
路等系统模型。
2.2.4 物理状态模型
物 理 状态 模型是指提炼出几个特定参量来描
述物体的运动状态而建立的模型。例如:均匀直
线运动状态(采用买，芬，，)，理想气体状态(采用
尸，v，T)，简谐平面电磁状态(采用芬，石，二，t，甘)，
介质极化状态(采用户描述云，户。)，介质磁化状
态(采用耐，后，育，产)，电路状态(采用u，E，L)，
电磁场状态(采用E，B或中，A)。
2.2.5 物理过程模型
物 理 过 程模型是指忽略物体运动过程中的某
些次要因素，突出其中主要的因素而建立的模型。
由于过程是通过一系列的状态来体现，所以往往
一种模型既是状态模型也是过程模型，但各自强
调的重点不同。过程模型强调物质运动过程中以
何种状态在变化(即态的变化方式)。例如:自由
落体运动过程:不计空气阻力;物体在光滑平面上
运动:不计摩擦过程;简谐振动过程:忽略摆线弹
性、质量等;取向极化过程:忽略损耗，采用偶极子
偏转。此外，如热力学中的等温过程、等容过程、
等压过程、绝热过程都是典型的物理过程模型。
2.3 理论模型
理 论 模 型是在观察、实验的基础上，经过物理
思维，对某一物理客体和研究对象的结构，相互作
用，运动规律等所作的一种简化的描述。这种模
型常以假说的形式出现，因此，也可称之为假说模
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型。当人们要对已被认识的物理现象做出理论解
释或根据已掌握的理论对未知的对象做出推测性
的猜想时，往往需要建立假说模型。在物理学研
究中，有很多这样的模型，如为解释磁现象而建立
的安培环流模型、磁荷模型;为解释光的本性而建
立的粒子模型、波动模型;为解释原子核结构而建
立的行星模型、气体模型、液滴模型、壳层模型、集
体模型、核式模型等等;关于强子结构的费米一杨
振宁模型、坂田模型、八重态模型、夸克模型等。
由此可见，理论模型或者说假说模型能够解释某
些物理现象或实验事实，从某一方面反映了研究
对象的特征，其正确性有待新的物理事实来检验，
并随着人们认识的深人和物理学的发展而不断的
修正、完善或者扬弃。
的逻辑推理以及对美的追求产生的思想结晶，是
物理科学大厦中瑰丽的明珠。物理模型法已经成
为物理科研、教学、学习中的一种基本的科学思维
方法。了解物理模型的分类，探讨其建立的思维
方法，教师才会高屋建瓶，才会自觉的、有意识的
将物理模型的思维方法渗透在教学当中。
参 考 文 献
1 张宪魁.物理学方法论〔M〕.陕西人民教育出版社，1992，3.
2 胡卫平，田世昆，物理思维论【M〕.广西教育出版社，1996，
2.
3 阎金铎.中学物理教学〔M〕.高等教育出版社，1991，5.
4 张琼.科学理论模型的建构【M〕.浙江科学技术出版社，
19 90 ，1 0.
5 赖小琴.物理模型的作用与特点〔J〕.广西教育学院学报，
20 0 0( 6).
3 结语
物理模型是物理学家通过丰富的想象、严谨
TheClassificationofPhysicalModels
W AN G B a 于y u an
(HubeiUniversity，Wuhan430062，China)
Abstract:Themethodofphysica1modelsasabasicformofscientificthinkinghasindispensablefunctionsinscientificresearchofPhysics，
Physicsstudyandteaching.ThisPaperexpoundstheclassificationandcharacteristicsofphysicalmodelsinordertofosterstudents‘
thinkingofphysicsandmethodofstudywhileimpartingknow1edgetothem.
Keywords:Physicalmodel;substantialitymodel;dummymodel;idealmodel;theoretical
model
(责 任 编 辑 : 谭 银 元 )
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