毕业论文_物理学中的理想模型.doc

毕 业 论 文 论文题目 物理学中的理想模型 系 别 物理系 专 业 物理学专业 班 级 2011级1班 学 号 201110730117 姓 名 康晓光 指导教师 胡文涛 2014年6月11日指导教师评语： 指导教师（签字） 答辩小组意见: 组 长（签字） 成 绩： 物理系（盖章） 年 月 日物理学中的理想模型【摘要】本文从力、能两个方面阐明静电场的性质,并通过典型例解和练习,掌握电场性质的应用.【关键词】 电场强度 点电荷 静电场 匀强电场 等势面 电场线 电势零点 电场力做功 场性质 电势能 物理学所研究的是自然界最普遍的物质运动现象，是研究物质运动的一切最基本最普遍的运动形态和各层次的结构相互作用和运动的基本规律的科学。物质在运动过程中往往要受自身的或者外界环境的各种复杂因素的影响，如果直接对某物体或系统进行研究，把与之相联系的各种因素都考虑在内，那么许多问题就变得十分复杂，或者根本就不可能对系统和某个物体进行研究，我们也就不能清楚的认识事物的本质，更谈不上对其进行更深层次的探索。为了使研究的问题变得简单，不可能研究的问题变成在某种程度上可以进行的问题，就需要对研究对象作一些近似的处理，抓住研究对象的突出的特征，忽略某些次要因素（这种近似的处理在一定程度上是不影响研究结论的准确性的）建立一种近似科学的模型、便于我们分析和发现事物的本质，进而深层次的研究，利用这些事物的特征对人类服务。一、建立理想模型的本质需要及其定义物理学的目的是研究自然界中物质运动最基本、最普通规律以及物质的结构和相互作用。而自然界的物质种类繁多，运动错综复杂，相互作用各具特色，要完全按照物理客体的本来面日进行研究，是很难得出定量的物理规律和系统的物理理论。因此，要求我们必须对其进行抽象，得出能反映物理客体本质的理想模型，来帮助我们了解和解决问题。所谓理想模型，就是为了研究物理问题的方便，在对物理现象做仔细观察和分析的基础上，根据其特点，撇开、舍弃次要的、非本质的因素，抓住主要本质的因素，从而建立一个易于研究的，能反映研究对象的主要特征的新形象。理想模型的实质就是把复杂的实际问题转化为理想的简单的问题来研究和处理。即可知其目的为有利于问题的研究。二、理想模型在前面的学习中，有这样一些理想模型，力学：质点、刚体、单摆、弹簧振子、直线、光滑面（光滑平面、光滑曲面），水平面，匀速直线运动、自由落体运动。热学中：理想气体、气体分子的各种模型（体积趋于零的刚体模型、弱引力刚球模型、苏则朗模型、米势及革纳琼斯势模型），孤立系模型等等。这些模型各自集中地突出了某一类实际对象的主要特征，使得事物的主要特点变得简单、清晰。有了这样的模型，使人们研究事物现象的方法更简捷（如：理想气体分子模型；忽略了分子本身的线度和其它次要的因素，把分子看作是刚体小球）对客观事物本质的认识更深刻全面。三、几种常见理想模型的概述1质点研究物体的运动时，我们常把可以忽略其大小和形状的物体当成质点，在解决实际问题的时候，物体的形状和线度对研究的问题无影响或影响非常小时，我们就把物体看作一个点，这个点集中了此物体全部的质量。如在研究地球绕太阳公转时，尽管地球的体积很大，因而线度很大，而且本身是一个不规则的球体，但是其线度比其绕太阳的公转的半径要小得多，而且其不规则的形状对研究的问题（如公转周期、角速度等）无关，所以可以把地球看作一个质点。但在讨论地球自转的时候，就不能把地球看作一个质点，而且不能忽略地球的不规则球体这个特征。有时，在处理一些实际问题的时候，可能会遇到一些障碍。要把某个研究的对象抽象成质点，有一个条件就是，物理的线度比起彼此间的距离很小但如何的小才能很小呢？有没有固定的标准来衡量是否线度比彼此间的距离很小呢？事实上没有这样的标准，怎样的小才算“很小”德根据具体问题具体分析。”质点模型虽然在实际中不存在，但这种理想模型研究问题带来了方便，它表示与这样一类事物：它具有质量却不占体2光滑面模型这里主要讨论光滑平面的模型。如右图所示，有一质量为m=1kg的物体在恒外力F=100N的作用下在宽L=1m的玻璃上从a端运动到b端，已查得物体与玻璃板间的模型系数为，求物体从a端到b端的时间。（1）若考虑玻璃板的摩擦，可计算得（2）不考虑玻璃板的摩擦，即把玻璃板的摩擦系数看作是零，计算得。不考虑摩擦与考虑摩擦结果的相对偏差：在许多的实际问题中2%的偏差已经很小了，所以为了简单计算、可直接把摩擦看作是零，即把某个平面看作是一张的光滑面，这种近似的处理是在的情况之下（其中F为除f以外的其它力的合力，f为摩擦力）。光滑面在实际生活中也是不存在的，但在解决实际问题过程中有重要的意义。四、理想模型的三类理想模型可以分为对象模型、条件模型和过程模型三类。 1对象模型用来代替研究对象实体的理想化模型，如质点、弹簧振子、单摆、理想气体、点电荷、理想变压器、点光源、光线、薄透镜以及关于原子结构的卢瑟福模型、波尔模型等都属于对心对象模型。 2条件模型把研究对象所处的外部条件理想化建立的模型叫做条件模型。如光滑表面、轻杆、轻绳、均匀介质、均强电场和均强磁场都属于条件模型。 3过程模型实际的物理过程都是诸多因素作用的结果，忽略次要因素的作用，只考虑主要因素引起的变化过程叫做过程模型。五、物理研究中的模型化 1模型化模型化指的是在研究和探索事物的过程中为了便于发现其中本质和规律而建立的一种抽象的，理想的事物形态是对某些事物中所包含的本质及规律采用逐步逼近的描述方法。例如，在电学中研究电荷间的相互作用时，其作用力的大小受带电体的形状、大小、所带电荷量的多少 、电荷的分布、电荷之间的相位置及介质等诸多因素的影响，若不分主次的考虑各种因素，会感到无从下手，也就无法得到最终的结果。在人类历史发展过程中，通过大量实验表明：随着电荷间距离的增大，带电体的形状、大小、电荷的分布等因素的影响逐渐减小，距离增加到一定程度时，起决定作用的就 是电荷的电量和介质的介电常数，其形状大小、电荷的分布可忽略不计从而建立起“点电荷的理想模型这样突出了对所研究问题起主要的因素忽略次要的因素，建立 “理想模型”，有效的解决了对复杂问题的研究。库仑定律描述的就是两个点电荷之间的相互作用规律在研究气体的性质和描述气体的物理量 间的关系中，麦克思韦建立了气体模型 ：气体是由很小的 、完全弹性的、只在接触时才发生相互作用的固体小球组成的 系统从而奠定了气体分子运动论 。在此基础上进一步对气体进行模型化：当分子间的距离接近十倍或 大于十倍分子直径时 ，就可以忽略分子之间的相互作用力，从而建立了理想气体模型。这样就比较容 易得 出描述气体的物理量间的关系一一气体状态方程 。显然，如果没有“点电荷”这个理想模型的建立，就没有库仑定律 。没 有气体模型和理想气体模型的建立，就没有气体状态方程。同样，如果没有质点的建立，便不会有牛顿定律和万有引力定律。物理学中的物理模型非常多，如铁磁性物质磁化模型、稳恒 电流模型、原予核式结构模型 等等。可以说 ，物理的全部定理 、定律和公式都是对物理模型的刻画。物理模型化是物理学研究普遍采用的方法，是建立和发展物理理论的重要手段 离开物理模型，物理学的研究就寸步难行 。 2 物理过程的理想化 自然界中各种运动过程非常复杂 ，为了研究问题的方便我们可以忽略次要因素，突出物体运动的主要特征和规律，把运动过程想象为一种简单化的、实际上不存在但又经得起实践验证的运动过程 。 在研究物体的碰撞问题时，认为该系统只在碰撞物体间内力的相互作用下发生的，其他力与内力相比，均可以忽略不计。在此条件下，系统遵循动量守恒定律。而完全弹性碰撞规律又是建立在理想碰撞的这一理论过程的基础之上，只要相互的物体 所受合外力为零 ，而且物体间相互作用的内力存属弹力，这样的形变就能完全恢复。显然整个碰撞过程只存在动能和弹性势能之间的相互转化，因此碰撞前后系统动量守恒。力学中研究物体在光滑平面或无摩擦轨道上的运动过程，热学中研究理想气体等质过程中能量的转换等都采用的是理想化过程。所谓等容、等压、等温及绝热过程也是理想化过程。 同样在研究地球表面上物体的下落运动时，往往被视为自由落体运动 ，那是因为在落体 运动过程中忽略了空气阻力、重力随高度变化等因素，认识物体 只在恒定的重力作用下的下落过程。显然，满足自由落体运动条件的物体在自然界中无法实现，但在许多情况下，物体的下落很接近自由落体 ，完全可以用 自由落体运动规律来处理，所以自由落体理想过程的建立有着重要的现实意义 。 物理学中的过程处处可见，如所有运用机械能守恒定律处理的运动过程、匀速直线运动过程、原予核的衰变过程等等。理想过程是对实际过程的一种科学的近似，也是对实际过程进一步研究的基础。对理想过程的研究，很容易发现实际过程中所包含的规律，能更准确更深刻的抓住问题的实质。这种方法也普遍运用于其他领域。3 物理实验的理想化 物理学是一门建立在实验基础上的学科，物理概念的建立以及物理定理 、定律的发现，往往是以实验事实作为依据的，已经建立起来的物理定理或理论 ，也必须经得起非常严格的科学实验的检验，同时，它又指导实验，并在新的实验的基础上逐步完善理论。六、结论理想模型是物理学研究中的抽象与概括的基本方法，是物理规律和物理理论赖以建立和发展的基础。因此，我们在利用其来研究解决物理问题时，必先要认真选择好模型，在找出其研究对象的主要规律，解决主要矛盾