畢業(yè)論文--物理學(xué)中的理想模型

1、<p><b>　　畢 業(yè) 論 文</b></p><p>　　論文題目 物理學(xué)中的理想模型 </p><p>　　系 別 物理系 </p><p>　　專 業(yè) 物理學(xué)專業(yè) </p><p><b>　　物理學(xué)中的理想模型</b></

2、p><p>　　【摘要】本文從力、能兩個(gè)方面闡明靜電場(chǎng)的性質(zhì),并通過(guò)典型例解和練習(xí),掌握電場(chǎng)性質(zhì)的應(yīng)用.</p><p>　　【關(guān)鍵詞】 電場(chǎng)強(qiáng)度 點(diǎn)電荷 靜電場(chǎng) 勻強(qiáng)電場(chǎng) 等勢(shì)面 電場(chǎng)線 電勢(shì)零點(diǎn) 電場(chǎng)力做功 場(chǎng)性質(zhì) 電勢(shì)能 物理學(xué)所研究的是自然界最普遍的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一切最基本最普遍的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和各層次的結(jié)構(gòu)相互作用和運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律的科學(xué)。物質(zhì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往要受自身的或者外

3、界環(huán)境的各種復(fù)雜因素的影響，如果直接對(duì)某物體或系統(tǒng)進(jìn)行研究，把與之相聯(lián)系的各種因素都考慮在內(nèi)，那么許多問(wèn)題就變得十分復(fù)雜，或者根本就不可能對(duì)系統(tǒng)和某個(gè)物體進(jìn)行研究，我們也就不能清楚的認(rèn)識(shí)事物的本質(zhì)，更談不上對(duì)其進(jìn)行更深層次的探索。為了使研究的問(wèn)題變得簡(jiǎn)單，不可能研究的問(wèn)題變成在某種程度上可以進(jìn)行的問(wèn)題，就需要對(duì)研究對(duì)象作一些近似的處理，抓住研究對(duì)象的突出的特征，忽略某些次要因素（這種近似的處理在一定程度上是不影響研究結(jié)論的準(zhǔn)確性的）建立

4、一種近似科學(xué)的模型、便于我們分析和發(fā)現(xiàn)事物的本質(zhì)，進(jìn)而深層次的研究，利用這些事物的特征對(duì)人類服務(wù)。</p><p>　　一、建立理想模型的本質(zhì)需要及其定義</p><p>　　物理學(xué)的目的是研究自然界中物質(zhì)運(yùn)動(dòng)最基本、最普通規(guī)律以及物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和相互作用。而自然界的物質(zhì)種類繁多，運(yùn)動(dòng)錯(cuò)綜復(fù)雜，相互作用各具特色，要完全按照物理客體的本來(lái)面日進(jìn)行研究，是很難得出定量的物理規(guī)律和系統(tǒng)的物理理論。因

5、此，要求我們必須對(duì)其進(jìn)行抽象，得出能反映物理客體本質(zhì)的理想模型，來(lái)幫助我們了解和解決問(wèn)題。</p><p>　　所謂理想模型，就是為了研究物理問(wèn)題的方便，在對(duì)物理現(xiàn)象做仔細(xì)觀察和分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)其特點(diǎn)，撇開(kāi)、舍棄次要的、非本質(zhì)的因素，抓住主要本質(zhì)的因素，從而建立一個(gè)易于研究的，能反映研究對(duì)象的主要特征的新形象。理想模型的實(shí)質(zhì)就是把復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為理想的簡(jiǎn)單的問(wèn)題來(lái)研究和處理。即可知其目的為有利于問(wèn)題的研究。

6、</p><p><b>　　二、理想模型</b></p><p>　　在前面的學(xué)習(xí)中，有這樣一些理想模型，力學(xué)：質(zhì)點(diǎn)、剛體、單擺、彈簧振子、直線、光滑面（光滑平面、光滑曲面），水平面，勻速直線運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)。熱學(xué)中：理想氣體、氣體分子的各種模型（體積趨于零的剛體模型、弱引力剛球模型、蘇則朗模型、米勢(shì)及革納—瓊斯勢(shì)模型），孤立系模型等等。</p>&

7、lt;p>　　這些模型各自集中地突出了某一類實(shí)際對(duì)象的主要特征，使得事物的主要特點(diǎn)變得簡(jiǎn)單、清晰。有了這樣的模型，使人們研究事物現(xiàn)象的方法更簡(jiǎn)捷（如：理想氣體分子模型；忽略了分子本身的線度和其它次要的因素，把分子看作是剛體小球）對(duì)客觀事物本質(zhì)的認(rèn)識(shí)更深刻全面。</p><p>　　三、幾種常見(jiàn)理想模型的概述</p><p><b>　　1．質(zhì)點(diǎn)</b></

8、p><p>　　研究物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們常把可以忽略其大小和形狀的物體當(dāng)成質(zhì)點(diǎn)，在解決實(shí)際問(wèn)題的時(shí)候，物體的形狀和線度對(duì)研究的問(wèn)題無(wú)影響或影響非常小時(shí)，我們就把物體看作一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)集中了此物體全部的質(zhì)量。</p><p>　　如在研究地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，盡管地球的體積很大，因而線度很大，而且本身是一個(gè)不規(guī)則的球體，但是其線度比其繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)的半徑要小得多，而且其不規(guī)則的形狀對(duì)研究的問(wèn)題（如公轉(zhuǎn)周

9、期、角速度等）無(wú)關(guān)，所以可以把地球看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)。但在討論地球自轉(zhuǎn)的時(shí)候，就不能把地球看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，而且不能忽略地球的不規(guī)則球體這個(gè)特征。</p><p>　　有時(shí)，在處理一些實(shí)際問(wèn)題的時(shí)候，可能會(huì)遇到一些障礙。要把某個(gè)研究的對(duì)象抽象成質(zhì)點(diǎn)，有一個(gè)條件就是，物理的線度比起彼此間的距離很小但如何的小才能很小呢？有沒(méi)有固定的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量是否線度比彼此間的距離很小呢？事實(shí)上沒(méi)有這樣的標(biāo)準(zhǔn)，怎樣的小才算“很小”德根據(jù)具體問(wèn)題

10、具體分析?！?lt;/p><p>　　質(zhì)點(diǎn)模型雖然在實(shí)際中不存在，但這種理想模型研究問(wèn)題帶來(lái)了方便，它表示與這樣一類事物：它具有質(zhì)量卻不占體</p><p><b>　　2．光滑面模型</b></p><p>　　這里主要討論光滑平面的模型。</p><p>　　如右圖所示，有一質(zhì)量為m=1kg的物體在恒外力F=100N的作

11、用下在寬L=1m的玻璃上從a端運(yùn)動(dòng)到b端，已查得物體與玻璃板間的模型系數(shù)為，求物體從a端到b端的時(shí)間。</p><p>　?。?）若考慮玻璃板的摩擦，可計(jì)算得</p><p>　?。?）不考慮玻璃板的摩擦，即把玻璃板的摩擦系數(shù)看作是零，計(jì)算得。</p><p>　　不考慮摩擦與考慮摩擦結(jié)果的相對(duì)偏差：</p><p>　　在許多的實(shí)際問(wèn)題中2

12、%的偏差已經(jīng)很小了，所以為了簡(jiǎn)單計(jì)算、可直接把摩擦看作是零，即把某個(gè)平面看作是一張的光滑面，這種近似的處理是在的情況之下（其中F為除f以外的其它力的合力，f為摩擦力）。</p><p>　　光滑面在實(shí)際生活中也是不存在的，但在解決實(shí)際問(wèn)題過(guò)程中有重要的意義。</p><p><b>　　四、理想模型的三類</b></p><p>　　理想模型可

13、以分為對(duì)象模型、條件模型和過(guò)程模型三類。 </p><p><b>　　1對(duì)象模型</b></p><p>　　用來(lái)代替研究對(duì)象實(shí)體的理想化模型，如質(zhì)點(diǎn)、彈簧振子、單擺、理想氣體、點(diǎn)電荷、理想變壓器、點(diǎn)光源、光線、薄透鏡以及關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的盧瑟福模型、波爾模型等都屬于對(duì)心對(duì)象模型。 </p><p><b>　　2條件模型</b&

14、gt;</p><p>　　把研究對(duì)象所處的外部條件理想化建立的模型叫做條件模型。如光滑表面、輕桿、輕繩、均勻介質(zhì)、均強(qiáng)電場(chǎng)和均強(qiáng)磁場(chǎng)都屬于條件模型。 </p><p><b>　　3過(guò)程模型</b></p><p>　　實(shí)際的物理過(guò)程都是諸多因素作用的結(jié)果，忽略次要因素的作用，只考慮主要因素引起的變化過(guò)程叫做過(guò)程模型。</p>

15、<p>　　五、物理研究中的模型化 </p><p><b>　　1模型化</b></p><p>　　模型化指的是在研究和探索事物的過(guò)程中為了便于發(fā)現(xiàn)其中本質(zhì)和規(guī)律而建立的一種抽象的，理想的事物形態(tài)是對(duì)某些事物中所包含的本質(zhì)及規(guī)律采用逐步逼近的描述方法。</p><p>　　例如，在電學(xué)中研究電荷間的相互作用時(shí)，其作用力的大小受帶電

16、體的形狀、大小、所帶電荷量的多少 、電荷的分布、電荷之間的相位置及介質(zhì)等諸多因素的影響，若不分主次的考慮各種因素，會(huì)感到無(wú)從下手，也就無(wú)法得到最終的結(jié)果。在人類歷史發(fā)展過(guò)程中，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)表明：隨著電荷間距離的增大，帶電體的形狀、大小、電荷的分布等因素的影響逐漸減小，距離增加到一定程度時(shí)，起決定作用的就 是電荷的電量和介質(zhì)的介電常數(shù)，其形狀大小、電荷的分布可忽略不計(jì)．從而建立起“點(diǎn)電荷的理想模型這樣．突出了對(duì)所研究問(wèn)題起主要的因素忽略次

17、要的因素，建立 “理想模型”，有效的解決了對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的研究。庫(kù)侖定律描述的就是兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的相互作用規(guī)律在研究氣體的性質(zhì)和描述氣體的物理量 間的關(guān)系中，麥克思韋建立了氣體模型 ：氣體是由很小的 、完全彈性的、只在接觸時(shí)才發(fā)生相互作用的固體小球組成的 系統(tǒng)從而奠定了氣體分子運(yùn)動(dòng)論 。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)氣體進(jìn)行模型化：當(dāng)分子間的距離接近十倍或 大于十倍分子直徑時(shí) ，就可以忽略分子之間的相互作用力，從而建立了理想氣體模型。這樣就比較容 易得

18、 出描述氣體的物理量間的關(guān)系一一氣體狀態(tài)方程 。顯然，如果沒(méi)有</p><p>　　同樣，如果沒(méi)有質(zhì)點(diǎn)的建立，便不會(huì)有牛頓定律和萬(wàn)有引力定律。物理學(xué)中的物理模型非常多，如鐵磁性物質(zhì)磁化模型、穩(wěn)恒 電流模型、原予核式結(jié)構(gòu)模型 等等。可以說(shuō) ，物理的全部定理 、定律和公式都是對(duì)物理模型的刻畫。物理模型化是物理學(xué)研究普遍采用的方法，是建立和發(fā)展物理理論的重要手段  離開(kāi)物理模型，物理學(xué)的研究就寸步難行 。 &

19、lt;/p><p>　　2 物理過(guò)程的理想化 </p><p>　　自然界中各種運(yùn)動(dòng)過(guò)程非常復(fù)雜 ，為了研究問(wèn)題的方便我們可以忽略次要因素，突出物體運(yùn)動(dòng)的主要特征和規(guī)律，把運(yùn)動(dòng)過(guò)程想象為一種簡(jiǎn)單化的、實(shí)際上不存在但又經(jīng)得起實(shí)踐驗(yàn)證的運(yùn)動(dòng)過(guò)程 。 </p><p>　　在研究物體的碰撞問(wèn)題時(shí)，認(rèn)為該系統(tǒng)只在碰撞物體間內(nèi)力的相互作用下發(fā)生的，其他力與內(nèi)力相比，均可以忽略不計(jì)

20、。在此條件下，系統(tǒng)遵循動(dòng)量守恒定律。而完全彈性碰撞規(guī)律又是建立在理想碰撞的這一理論過(guò)程的基礎(chǔ)之上，只要相互的物體 所受合外力為零 ，而且物體間相互作用的內(nèi)力存屬?gòu)椓Γ@樣的形變就能完全恢復(fù)。顯然整個(gè)碰撞過(guò)程只存在動(dòng)能和彈性勢(shì)能之間的相互轉(zhuǎn)化，因此碰撞前后系統(tǒng)動(dòng)量守恒。力學(xué)中研究物體在光滑平面或無(wú)摩擦軌道上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，熱學(xué)中研究理想氣體等質(zhì)過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)換等都采用的是理想化過(guò)程。所謂等容、等壓、等溫及絕熱過(guò)程也是理想化過(guò)程。 </p

21、><p>　　同樣在研究地球表面上物體的下落運(yùn)動(dòng)時(shí)，往往被視為自由落體運(yùn)動(dòng) ，那是因?yàn)樵诼潴w 運(yùn)動(dòng)過(guò)程中忽略了空氣阻力、重力隨高度變化等因素，認(rèn)識(shí)物體 只在恒定的重力作用下的下落過(guò)程。顯然，滿足自由落體運(yùn)動(dòng)條件的物體在自然界中無(wú)法實(shí)現(xiàn)，但在許多情況下，物體的下落很接近自由落體 ，完全可以用 自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)處理，所以自由落體理想過(guò)程的建立有著重要的現(xiàn)實(shí)意義 。 </p><p>　　物理學(xué)中

22、的過(guò)程處處可見(jiàn)，如所有運(yùn)用機(jī)械能守恒定律處理的運(yùn)動(dòng)過(guò)程、勻速直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程、原予核的衰變過(guò)程等等。理想過(guò)程是對(duì)實(shí)際過(guò)程的一種科學(xué)的近似，也是對(duì)實(shí)際過(guò)程進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)。對(duì)理想過(guò)程的研究，很容易發(fā)現(xiàn)實(shí)際過(guò)程中所包含的規(guī)律，能更準(zhǔn)確更深刻的抓住問(wèn)題的實(shí)質(zhì)。這種方法也普遍運(yùn)用于其他領(lǐng)域。</p><p>　　3 物理實(shí)驗(yàn)的理想化 </p><p>　　物理學(xué)是一門建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的學(xué)科，物理概念的

23、建立以及物理定理 、定律的發(fā)現(xiàn)，往往是以實(shí)驗(yàn)事實(shí)作為依據(jù)的，已經(jīng)建立起來(lái)的物理定理或理論 ，也必須經(jīng)得起非常嚴(yán)格的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，同時(shí)，它又指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，并在新的實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上逐步完善理論。</p><p><b>　　六、結(jié)論</b></p><p>　　理想模型是物理學(xué)研究中的抽象與概括的基本方法，是物理規(guī)律和物理理論賴以建立和發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，我們?cè)诶闷鋪?lái)研究解決物

24、理問(wèn)題時(shí)，必先要認(rèn)真選擇好模型，在找出其研究對(duì)象的主要規(guī)律，解決主要矛盾之后，應(yīng)再考慮次要矛盾對(duì)其的影響，進(jìn)行修正，從而使得出的規(guī)律更接近實(shí)際。在物理教學(xué)中應(yīng)加倍注重向?qū)W生傳授建立理想模型的思想方法，為物理學(xué)的未來(lái)發(fā)展好人才培養(yǎng)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]秦允豪.熱學(xué)第二版.北京：高等教育出版社.1999年</p&