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、能兩個方面闡明靜電場的性質(zhì),并通過典型例解和練習(xí),掌握電場性質(zhì)的應(yīng)用.</p><p>　　【關(guān)鍵詞】 電場強度 點電荷 靜電場 勻強電場 等勢面 電場線 電勢零點 電場力做功 場性質(zhì) 電勢能 物理學(xué)所研究的是自然界最普遍的物質(zhì)運動現(xiàn)象，是研究物質(zhì)運動的一切最基本最普遍的運動形態(tài)和各層次的結(jié)構(gòu)相互作用和運動的基本規(guī)律的科學(xué)。物質(zhì)在運動過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，如果直接對某物體或系統(tǒng)進行研究，把與之相聯(lián)系的各種因素都考慮在內(nèi)，那么許多問題就變得十分復(fù)雜，或者根本就不可能對系統(tǒng)和某個物體進行研究，我們也就不能清楚的認(rèn)識事物的本質(zhì)，更談不上對其進行更深層次的探索。為了使研究的問題變得簡單，不可能研究的問題變成在某種程度上可以進行的問題，就需要對研究對象作一些近似的處理，抓住研究對象的突出的特征，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)，進而深層次的研究，利用這些事物的特征對人類服務(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)運動最基本、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，運動錯綜復(fù)雜，相互作用各具特色，要完全按照物理客體的本來面日進行研究，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，要求我們必須對其進行抽象，得出能反映物理客體本質(zhì)的理想模型，來幫助我們了解和解決問題。</p><p>　　所謂理想模型，就是為了研究物理問題的方便，在對物理現(xiàn)象做仔細觀察和分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)其特點，撇開、舍棄次要的、非本質(zhì)的因素，抓住主要本質(zhì)的因素，從而建立一個易于研究的，能反映研究對象的主要特征的新形象。理想模型的實質(zhì)就是把復(fù)雜的實際問題轉(zhuǎn)化為理想的簡單的問題來研究和處理。即可知其目的為有利于問題的研究。

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、剛體、單擺、彈簧振子、直線、光滑面（光滑平面、光滑曲面），水平面，勻速直線運動、自由落體運動。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、米勢及革納—瓊斯勢模型），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際對象的主要特征，使得事物的主要特點變得簡單、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）對客觀事物本質(zhì)的認(rèn)識更深刻全面。</p><p>　　三、幾種常見理想模型的概述</p><p><b>　　1．質(zhì)點</b></

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

9、期、角速度等）無關(guān)，所以可以把地球看作一個質(zhì)點。但在討論地球自轉(zhuǎn)的時候，就不能把地球看作一個質(zhì)點，而且不能忽略地球的不規(guī)則球體這個特征。</p><p>　　有時，在處理一些實際問題的時候，可能會遇到一些障礙。要把某個研究的對象抽象成質(zhì)點，有一個條件就是，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？有沒有固定的標(biāo)準(zhǔn)來衡量是否線度比彼此間的距離很小呢？事實上沒有這樣的標(biāo)準(zhǔn)，怎樣的小才算“很小”德根據(jù)具體問題

10、具體分析?！?lt;/p><p>　　質(zhì)點模型雖然在實際中不存在，但這種理想模型研究問題帶來了方便，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端運動到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端的時間。</p><p>　?。?）若考慮玻璃板的摩擦，可計算得</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，計算得。</p><p>　　不考慮摩擦與考慮摩擦結(jié)果的相對偏差：</p><p>　　在許多的實際問題中2

12、%的偏差已經(jīng)很小了，所以為了簡單計算、可直接把摩擦看作是零，即把某個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>　　光滑面在實際生活中也是不存在的，但在解決實際問題過程中有重要的意義。</p><p><b>　　四、理想模型的三類</b></p><p>　　理想模型可

13、以分為對象模型、條件模型和過程模型三類。 </p><p><b>　　1對象模型</b></p><p>　　用來代替研究對象實體的理想化模型，如質(zhì)點、彈簧振子、單擺、理想氣體、點電荷、理想變壓器、點光源、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心對象模型。 </p><p><b>　　2條件模型</b&

14、gt;</p><p>　　把研究對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)、均強電場和均強磁場都屬于條件模型。 </p><p><b>　　3過程模型</b></p><p>　　實際的物理過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程叫做過程模型。</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，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，會感到無從下手，也就無法得到最終的結(jié)果。在人類歷史發(fā)展過程中，通過大量實驗表明：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，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．從而建立起“點電荷的理想模型這樣．突出了對所研究問題起主要的因素忽略次

17、要的因素，建立 “理想模型”，有效的解決了對復(fù)雜問題的研究。庫侖定律描述的就是兩個點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動論 。在此基礎(chǔ)上進一步對氣體進行模型化：當(dāng)分子間的距離接近十倍或 大于十倍分子直徑時 ，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，如果沒有</p><p>　　同樣，如果沒有質(zhì)點的建立，便不會有牛頓定律和萬有引力定律。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?？梢哉f ，物理的全部定理 、定律和公式都是對物理模型的刻畫。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  離開物理模型，物理學(xué)的研究就寸步難行 。 &

19、lt;/p><p>　　2 物理過程的理想化 </p><p>　　自然界中各種運動過程非常復(fù)雜 ，為了研究問題的方便我們可以忽略次要因素，突出物體運動的主要特征和規(guī)律，把運動過程想象為一種簡單化的、實際上不存在但又經(jīng)得起實踐驗證的運動過程 。 </p><p>　　在研究物體的碰撞問題時，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

20、。在此條件下，系統(tǒng)遵循動量守恒定律。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)力存屬彈力，這樣的形變就能完全恢復(fù)。顯然整個碰撞過程只存在動能和彈性勢能之間的相互轉(zhuǎn)化，因此碰撞前后系統(tǒng)動量守恒。力學(xué)中研究物體在光滑平面或無摩擦軌道上的運動過程，熱學(xué)中研究理想氣體等質(zhì)過程中能量的轉(zhuǎn)換等都采用的是理想化過程。所謂等容、等壓、等溫及絕熱過程也是理想化過程。 </p

21、><p>　　同樣在研究地球表面上物體的下落運動時，往往被視為自由落體運動 ，那是因為在落體 運動過程中忽略了空氣阻力、重力隨高度變化等因素，認(rèn)識物體 只在恒定的重力作用下的下落過程。顯然，滿足自由落體運動條件的物體在自然界中無法實現(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 自由落體運動規(guī)律來處理，所以自由落體理想過程的建立有著重要的現(xiàn)實意義 。 </p><p>　　物理學(xué)中

22、的過程處處可見，如所有運用機械能守恒定律處理的運動過程、勻速直線運動過程、原予核的衰變過程等等。理想過程是對實際過程的一種科學(xué)的近似，也是對實際過程進一步研究的基礎(chǔ)。對理想過程的研究，很容易發(fā)現(xiàn)實際過程中所包含的規(guī)律，能更準(zhǔn)確更深刻的抓住問題的實質(zhì)。這種方法也普遍運用于其他領(lǐng)域。</p><p>　　3 物理實驗的理想化 </p><p>　　物理學(xué)是一門建立在實驗基礎(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)，往往是以實驗事實作為依據(jù)的，已經(jīng)建立起來的物理定理或理論 ，也必須經(jīng)得起非常嚴(yán)格的科學(xué)實驗的檢驗，同時，它又指導(dǎo)實驗，并在新的實驗的基礎(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，我們在利用其來研究解決物

24、理問題時，必先要認(rèn)真選擇好模型，在找出其研究對象的主要規(guī)律，解決主要矛盾之后，應(yīng)再考慮次要矛盾對其的影響，進行修正，從而使得出的規(guī)律更接近實際。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)的未來發(fā)展好人才培養(yǎng)。</p><p><b>　　參考文獻</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&