大学物理中的理想化模型

口王刚志部的、非本质联系的基础上,让事物内部的、本质的联系暴露出来。它撇开了与当前考察事物无关的运动过程,区分出基础的东西和派生的东西,深人事物里层,把决定事物性质一、“物理模型”来自于实际物体的科学抽象自然界不存在绝对静止的物质,也不存在绝对孤立的系统。自然界万物总是按照其特有的方式保持着一定的联系。按物理学家爱因斯坦的观点,自然界总是处在一种完美的和谐的状态之中。这里所谓的“完美的和谐状态”即是指自然界万物之间的相互影响和联系。翻开任何一本物理教科书,都能够看到一系列“物理模型”。物理模型是科学抽象中的“理想模型”方法在物理学中的具体应用。这种抽象以实践为前提和基础,根据所研究的内容和性质,抓住主要因素,撇开次要的、局部的、偶然的因素,建立一个与我们所研究的问题差距不大的“物理模型”来进行研究。物理模型在区分出事物的真象和假象,撇开事物外的隐蔽的基础抽象出来。物理模型还从基础的东西出发,将事物的各种属性和关系综合起来,从而把事物的本质作为一个整体完整地抽象出来。总之,物理模型决不是处于直观和表象之外或凌驾于其上的东西,而是从中并抽象出来的东西。物理模型的形式是主观的、抽象的,而其内容却是客观的、具体的。它是主观与客观思维形式的统一,是具体与抽象的统一。二、利用“物理模型’,简化物理问题物体运动时,内部各点的位置变化是各不相同的。因此,要精确描述物体的运动并非易事,有时甚至不可能。但根据问题的性质,如果物体的线度和形状在所研究的现象中不起作用或所起作用可忽略不计,就可以把物体看作一个没有大小和形状的物理模型—质点。和现代工业技术训练的良好氛围,而且可以让学生做到真题真做,提高学生的工作热情和责任心。通过学校和企业的合作,既可帮助企业解决实际问题,又可弥补学校教师实践经验不足的缺陷。学生在有就业意向的企业做毕业设计,还可以增强企业和学生间的沟通与了解,让学生亲身感受企业所面临的挑战和机遇。因此加强产学研的合作教育,对提高毕业设计质量是一条行之有效的途径。2.建立稳定的产学研基地,提高毕业设计质量接受学生进行毕业设计的企业应该实力比较雄厚,有较强的工程技术人员队伍,有接受学生就业的意向,且学校和企业的老总关系紧密,这样才能为产学研合作打下良好的基础。如我院同广东拂山科达机电股份公司建立了长期的合作意向,该公司每年可接纳6一8人进行毕业设计。该公司为上市公司,公司中30%左右的员工是具备高中级职称和博士、硕士、学士等学位的专业人才。为了使学生在企业的毕业设计不流于形式、走过场,我们采取教师提前到企业,根据企业的需要,确定毕业设计课题,落实具有高级职称,高学历的指导教师。确定学生人员时,则采用有到企业就业意向、各方面素质较好学生优先进行安排的原则。并请企业有关人员到学校对拟去该公司进行毕业设计的学生进行面试,最后由学院和企业共同确定人员名单。由于企业有接受学生的意向,学生有到企业工作的意向,学生的岗位和毕业设计工作同时在企业进行,加之学生在企业做的课题是企业的真实课题,从而使学生的责任心和敬业精神大大加强。如在科达进行毕业设计的30多人中,目前有20多人留在该公司的技术部门和生产销售部门工作。由于在公司进行毕业设计,对公司生产的产品较熟悉,学生毕业到公司后在短时间内就能胜任工作。通过一、二年的实践锻炼,目前大部分已经是公司的骨干。对学校来说既达到了有效提高学生综合素质和就业率的目的,同时满足了企业对人才的,达到校企双赢。3.搞好产学研合作、学校要利用自身的优势为企业服务校企合作教育要取得“双赢”局面,在很大程度上取决于企业的热心合作,要想做到长期合作,应该让企业真正感觉到这样做对企业有利。我们的做法是:每次推荐的学生都是比较优秀的,所做的课题一定要和企业技术人员一起论证,既要让学生在规定时间内能完成,又能帮助企业解决实际问题,同时为企业做好技术保密工作。为使企业的技术资料不外泄,我们采取学校派教师到企业,和企业的技术人员一起组织学生的毕业答辩的做法。学生设计的图纸在企业存档,学校只存设计或论文。此外,通过采取聘请企业的老总或专家到学校担任客座教授等措施,既可加强校企联合又让企业热心接受学生进行毕业设计。科达机电股份公司已连续5年接受学生进行毕业设计工作,学院和科达机电股份公司建立了长期良好的校企合作关系。通过建立产学研纽带,使学生在学校的学习与科研、生产实际相联系,不但使学生的理论知识得到应用,综合素质得到提高,锻炼了学生的工作能力,也大大提高了学生的科研意识和创新思维,为有效地培养工程应用型人才进行了有益地尝试,取得了很好的社会效益。(作者单位:景德镇陶瓷学院)“质点”这一抽象出来的模型,保留着物体的物质性,即具有质量和占有一定的空间,虽然质点没有大小和形状,只是用一个几何点表示,但由于两个物体不能占有同一空间,因而两个质点不能像真正的几何点那样重合。其次,质点能否真正反映事物的本质,这是问题的关键。如果物体的形状和线度在所研究的现象中不能忽略,那就不能被抽象成质点。地球的半径约为6370公里,而地球作为太阳系的一颗恒星,距太阳约为1.5xl08里,两者之比为23548。而我们研究地球相对太阳的运动时,就可认为地球上各点相对太阳的运动是相同的。严格说,由于地球的自转,地球上各点相对太阳的运动并不完全相同。当我们研究地球的自转时,如果仍然把地球看作一个质点,显然就没有实际意义。由此可知,如果物体的形状和大小对物体运动规律的影响不容忽视,就不能把该物体抽象成质点。固体在力的作用上,其形状和大小都要发生变化。同理,如果这种变化不显著,对我们研究的问题无影响或影响可忽略,我们就可以抽象出“刚体几,这一物理模型。即假定有这么一个刚性物体,它无论在多大的外力作用下形状和大小均保持不变。在物理学里,我们把转动的飞轮、自转的地球、振动的钟摆等都作刚体来处理,并在刚体这一物理模型的基础上建立起了刚体力学。刚体力学撇开形状、大小变化对运动的影响而又不会出现大的偏差,这样的物理模型使问题的处理大为简化。三、修正物理模型,逼近客体将刚体模型与质点模型相比,显然前者更接近客体,描述刚体运动的复杂困难程度也比质点高。在科学研究中对于复杂的对象和过程,人们总可以先研究其简化了的模型,然后将研究结果加以种种修正,使之能正确反映客观。刚体力学中的刚体模型,可看作是对质点模型的一种修正。无独有偶,原子物理学中的卢瑟福模型也是对汤姆逊模型的又一种修正。最有代表性的要数分子物理学中气体的研究方法了。一般说来,气体中分子的分布是相当稀疏的(约为液体的l/l000)。因此,气体分子运动具有如下的特征:分子与分子间的相互作用力,除了在碰撞的瞬间外,相当微小。如果在连续两次碰撞间,看作是由分子的惯性支配的自由运动,则问题将会大大简化。此外,气体分子的运动特征在于气体分子的平凡碰撞,因而每个分子不停地作杂乱的无定向运动。要描述气体中每个特定分子的运动是不可能的,为了分析和讨论气体的基本现象,人们常用一个简易的物理模型来代替真实气体,这个理想模型有三个假设:¹气体分子可看作大小可以不计的小球,它们的运动遵循牛顿运动定律;º可把每个分子看作完全弹性的小球,它们相碰或与器壁相碰时遵循能量守恒与动量守恒定律;»气体分子之间的距离相当大;所以,除了碰撞的瞬间外,分子间的相互作用也略去不计。这样,气体就可被看成是自由、无规则运动着的弹性小球的集合,更为抽象的是这种弹性小球又不存在体积。这种能充分反映出气体分子运动特征的抽象模型便是所谓“理想气体”。在高温高压下,理想气体与真实气体很接近,所以根据理想气体这个物理模型得出的状态方程P、=RT在高温高压下与真实气体吻合得很好。由于物理模型仅仅是客体在一定程度上的近似,它只能反映客体的主要特征,而不能反映其所有特征。因此,由物理模型导出的结论,也只是客观规律某种程度上的近似。一方面,物理模型越接近客体,据此导出的结论就易于与实际相符;另一方面,物理模型愈接近客体,它就愈复杂,处理起来就愈麻烦。理想气体分子体积为零,这样处理将使问题大大简化。我们知道气体越稀薄,分子占有的体积就越小,假设分子体积为零所带来的误差亦很小。而在这一条件不满足时,再不考虑分子占有的体积,就与客体严重不符。此时,必须对理想气体模型作某种程度的修正。范德瓦尔斯认为,不考虑气体分子体积和略去分子间的相互作用是引起误差的主要原因,并据此提出了著名的范德瓦尔斯方程渺和(V一“)=群,显然该式比理想气体的状态方程复杂,但由此得出的结论却与实际情况吻合得更好。四、通过物理模型寻找研究方向建立物理模型的过程,就是从客观到主观的抽象过程。它舍去了大量的具体材料,突出事物的主要特征,这就更便于发挥逻辑思维的力量,使得物理模型的研究结果能够超越现有的条件,指示研究的方向,形成科学的预见。在原子物理学中,卢瑟福研究。离子散射时,发现实验现象不能被由汤姆逊原子模型导出的理论解释。而如果把原子看作一个被缩小的太阳系,电子像行星绕太阳旋转那样围绕着原子核旋转,则能够成功地解释a离子的大角度散射问题,故而诞生了卢瑟福的核式模型,为人们进一步认识微观世界迈出了及其重要的一步。众所周知,玻尔原子理论是量子力学创立过程中的一个里程碑。时至今日,玻尔理论仍在物理教科书中占有一定的篇幅。玻尔理论正是玻尔根据卢瑟福的原子核结构模型发挥逻辑思维力量得出的科学预见。原子的核式模型能够圆满地解释许多实验现象,很快被物理学界普遍接受,玻尔详细地对原字的核式结构模型进行了研究,认为经典电动力学具有局限性,不能用在原子这样的微观客体上。经典电动力学中必须引人量子概念才能成功解释许多实验现象。玻尔理论指明了原子物理学发展的方向,推动物理学进一步向前发展。(作者单位:天津科技大学)