【摘 要】物理模型在物理学的发展中占有非常重要地位，本文从物理模型种类、形成及特点、作用以及局限性进行论述。体现了物理模型方法对物理学的贡献。
【关键词】物理学；物理模型方法；桥梁作用
从物理学发展史来看，物理学概念、定律的创建过程都和物理模型密不可分。所以我们可以认为物理学的发展史就是一部物理模型方法史。
下面对物理模型方法做一粗浅介绍。
1 何谓物理模型方法
在现实生活中实际的物理现象一般是比较复杂的。如正在平直公路上行驶的汽车，车身在平动，车轮在转动，发动机的一些部件也在运动。我们如何描述汽车的运动？如果在汽车的一系列复杂运动中，我们要研究的是汽车运动的快慢，那么只需要考虑车身的平动，忽略其他运动形式，于是汽车的实际运动便被想象地简化为一个有质量的点在一条直线上的运动。
在一定的情况与条件下，考虑实际物理现象主要的、本质的特征，忽略次要的、非本质的因素，这种处理问题的方法叫做物理抽象，被抽象出来的物理现象虽不再是原来的、实际的物理现象，但它能反映出原来实际现象发展变化的基本规律，称为原来实际现象的物理模型。运用建立物理模型研究物理问题的方法，就是物理模型方法。
2 物理模型的种类
根据物理模型在实际物理现象、规律中所扮演角色或所起作用的不同，它可分为：
条件模型：如自由落体运动规律就是在建立在“忽略空气阻力，认为重力恒定”的条件模型之后才得出来的。
对象模型：如静力学中“刚体”“质点”，电学中“点电核” “电场线”。
状态模型：如热平衡状态就是热学的一种状态模型。
过程模型：如完全弹性碰撞过程就是一种碰撞过程模型。
实验模型：如热学中等温、等容、等压实验，就是一种实验模型。应该指出的是，上述五类模型，井非孤立分开毫无联系，恰恰相反，它们常常是互相牵制的、内在的统一于所研究的问题中。例如，伽利略运用理想斜面实验模型揭示了惯性定律的本质。在这个实验中，“光滑的、无摩擦力的斜面与无限大平面”就是条件模型：“光滑的小球”就是对象模型；“小球在无限大平面上的速度不变”就是状态模型；“小球沿无限大平面永远以恒速运动”就是过程模型。
3 物理模型的形成及其特点
模型方法在物理研究中能起到从事实过渡到理论的桥梁作用。那么，如何构造模型？物理模型有哪些特点？下面我们以原子结构的探索为例进行说明。
人们从观察得知，自然界充满着千变万化的物质，大的物质由小的物质构成，小的又由更小的构成……构成万物的量小基本单元是什么？古希腊哲学家德谟克里特认为物质由一些不可再分的坚硬微粒——原子构成。这就是古代的无事实根据的、纯思考性质的原子模型。到了19世纪初，英国化学家道尔顿将这一模型运用到研究化合物，发现元素总是按确定的重量比互相化合。为了解释这一结果，道尔顿提出了他的原于模型，认为一切物质都是由不可分的原子组成，同种元素的原子重量相同，不同元素的原子重量不等，氢元素的原子是最小的物质点。1879年，英国人克鲁克斯发现了阴极射线。1897年，英国物理学家汤姆逊证明了这种射线是由带一个单位负电荷的微粒组成，命名这种微粒为电子；其质量只有氢原子质量的1/1836，可见原子不是最小微粒，而且是有结构的。汤姆逊用不同物质作阴极都能产生阴极射线，这说明任何元素的原子中都有电子存在。道尔顿模型受到挑战，1903年，涵姆逊提出了原子的蛋糕结构模型，认为原子是一个实心球，原子的质量和正电荷均匀分布在球内，电子像蛋糕中的果粒分散在原子中，原子中正负电荷的电量相等，整个原子不显电性。为了验证汤姆逊模型，1911年，汤姆逊的学生卢瑟福做了a粒子散射实验，面对实验事实，汤姆逊模型不能解释。于是，卢瑟福提出了原子有核结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。但卢瑟福模型不能解释原于的稳定性与氢原子的线状光谱。为此，1913年，卢瑟福的同事，丹麦物理学家玻尔提出了量子化原子模型：电子只能在某些可能的轨道上运动，电子在这些轨道上运动时不辐射能量，处于稳定状态，只有电子从一条轨道跃迁到另一条轨道上时才一份一份的辐射能量。玻尔模型虽成功地解释了原子的稳定性及氢原子线状光谱，但对于含有多个电子的原子来说，理论计算与实验结果并不完全相符。现代物理实验已经证明，电子的运动没有固定的轨道，服从德布洛意——薛定谔波原子模型或电子云模型……。
综上可知，一个好的物理模型必须是建立在一定的实验事实和已有理论基础上的高度抽象与概括，包括某些真实内容，具有一定的客观性，能够解释已知的现象。如果不是这样，那么模型本身就成了空中楼阁，还算什么模型。由于人们对所要认识的现象的原型并无确切了解，所以一个好的物理模型只能是一种大胆的猜测，能够预言未知的现象。否则，模型就成了已知事实的堆积，从而也就失去了模型应有的从事实过渡到理论的桥梁作用。由于人们所要认识现象的原型的深邃性、复杂性，所以一个好的物理模型提出后不可能一下于就与原型符合，还必须接受科学实践的检验而不断地修正和完善。量后，要提出一个好的物理模型，还应该对具体研究的问题做出系统的历史的考查。只有站在前人的肩膀上，才能比前人看得更远。
4 物理模型方法的作用
4.1 推动物理学发展
创建物理学离不开建立物理模型的例子在物理学史上屡见不鲜，比比皆是。
在力学中，牛顿提出万有引力理论便是一个著名的例证。牛顿一方面运用了开普勒的行星运动的太阳系模型；另一方面借助数学方法证明了“一个物体吸引它外边的物体时，它们的质量就好像都集中在它们各自的中心一样”，太阳系中的所有星球可视为有质量而无形状与大小的质点，据此，建立了质点模型，把宇宙万物视为质点。从而首先发现了万有引力定律。
4.2 促进物理教学
如前所述，物理模型的提出与发展揭示了物理概念的进化与形成，所以模型方法也就成为理解物理概念的基本思路。例如，物理学中的专用或通用名词“物质”或“物体”是没有形状和大小的、是各种具体的物质或物体的抽象，可视为物理学的语言模型。又如，力学中单摆的振动是在建立了“忽略摩擦与空气阻力，不计摆球的大小、摆线的质量与伸缩，摆的偏角不超过5°”这样的模型后才可视为简谐振动。热学中的热平衡方程是建立在与外界无任何能量交换的孤立系统或封闭系统模型基础上的。电学中的库仑定律只适用于真空中的点电荷模型。几何光学反射、折射定律则是因为建立了“光线”、“点光源”、“平滑的反射面、折射面”这些光学模型后方才得出的等等。
4.2.1 推证物理规律
在物理教学过程中，运用模型方法，推证物理规律，也不乏其例。牛顿的高山上的平抛运动实验模型，从理论上阐述了人造卫星的原理。爱因斯坦的理想闪电实验模型，从理论上得出了同时性的相对性概念。中学物理中理想气体状态方程的推导，实际上是运用理想实验模型完成的。
4.2.2 解答物理习题
广义地说，物理学所研究的问题都是物理现象在特定过程与条件下的科学抽象，即物理 学所研究的都是物理模型。解答物理习题亦可以说是应用模型方法的过程，其基本思路大体如下：分析题意，确定对象模型；察看对象所处环境，确定条件模型；根据对象的变化情况，确定状态与过程模型；将对象、条件、状态、过程模型转换为相应的数学模型，推算出结果。
5 物理模型方法的局限性
由于物理模型是建立在一定事实与已有理论基础上的一种大胆的猜测，所以模型方法必 有局限性。翻开物理学史，无论是力、热、光、电的研究，还是原子、粒子结构的探索，一个模型接着一个模型，总是后者否定前者，层出不穷，就充分说明了模型方法的局限性。
总之，物理模型既有客观依据，又有主观因素；既有可靠事实，又含猜想内容；既可能是科学预见，又可能被全盘否定。这种真实与假定的矛盾的解决，有赖于实践，从而使人们对物理现象的认识接近客观真理。
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