Для чего в физике вводят модельные приближения
Физические модели
Всего получено оценок: 275.
Всего получено оценок: 275.
Физика изучает самые общие свойства Природы, устанавливая правила и законы, по которым происходят всевозможные процессы и явления. При этом практически всегда используется прием, называемый физическим моделированием. Рассмотрим суть этого приема подробнее, дадим определение физической модели.
Необходимость упрощения
Рассматривая любое физическое явление, можно всегда заметить, что среди множества характеристик реального объекта существуют как важные для текущей практической задачи, так и второстепенные, не влияющие на нее.
Рис. 1. Явления, изучаемые физикой.
Например, если стоит практическая задача взвешивания груза, она решается с помощью весов, которые могут иметь самые различные принципы и конструкции. Точное описание процесса, происходящего при простейшем взвешивании, может включать огромное количество всевозможных характеристик и закономерностей, начиная от макроскопических (например, форму, которую имеют весы), и заканчивая микроскопическими (например, точным химическим составом частей весов).
Однако, для поставленной задачи большая часть этих параметров являются несущественными. Решение задачи требует, чтобы взвешиваемая масса была равна заданной (это важный параметр в данном случае), а какую форму имеют весы, и каков точный химический состав сплава, из которого они сделаны – для решения не играет роли (это второстепенные и неважные параметры).
Точно так же, в любом физическом процессе и явлении можно выделить огромное множество характеристик, но важными для поставленной задачи будут являться далеко не все. И при физическом описании разумно всегда использовать минимум необходимых параметров.
Здесь действует важная философская концепция, называемая «Бритвой Оккама». Она гласит, что из всех теорий, правильно описывающих явление, следует отдавать предпочтение более простой.
Физическая модель
Применение принципа упрощения наиболее ярко проявляется в использовании специальных объектов, называемых «физическими моделями».
Физическая модель – это некоторое описание реального явления, в котором участвует минимум параметров, необходимых для правильного описания явления и правильного решения поставленных задач.
Хорошим примером физической модели является понятие «материальной точки». Данное понятие используется в механике для описания движения и взаимодействия тел. Материальная точка имеет некоторые координаты в выбранной Системе Отсчета и некоторую массу. При этом, как и геометрическая точка, она не имеет ни формы, ни объема, ни ориентации в пространстве. Все понимают, что в Природе нет объектов, которые бы не имели формы, объема и ориентации, но при этом еще бы и имели некоторую массу. Однако, для описания движения и взаимодействия тел во многих случаях все эти характеристики реальных тел неважны. В кинематике изучается только движение и координаты тела. В динамике и статике также важна масса тела. Остальные параметры для законов движения практически всегда не важны.
В итоге в механике модель «материальная точка» используется в большинстве случаев.
В других областях физики используются другие модели. Например, в термодинамике такой моделью является идеальный газ. В электродинамике – идеальные проводники и диэлектрики. В оптике – абсолютно черное тело.
Рис. 3. Физические модели.
Что мы узнали?
В описании любого физического явления существуют важные и неважные для решения поставленной задачи характеристики. Исходя из философского принципа «Бритва Оккама», следует строить теории так, чтобы они использовали достаточный минимум характеристик. Такое описание явления, содержащее только характеристики, необходимые для решения задачи, называется физической моделью явления.
Для чего в физике вводят модельные приближения
2. Применение метода моделирования в физике
Метод моделирования играет важную роль в современной физике.
Идея построения моделей в классической физике возникла вследствие проникновения научного познания в разделы физики, что выходят за пределы механики (электромагнитное поле). Она заключалась в возможности построения механических моделей немеханическая физических явлений. С развитием физики микромира возникла проблема возможности построения макромоделей микрообъектов.
С помощью моделей можно передать тот или иной физический объект или физическую систему, то или иное явление только приближенно, частично. Модельные представления могут дать сведения об особенностях определенного явления, дают возможность получить выводы не только качественного, но и количественного характера. Физические представления, лежащие в основе построения модели, вытекающие из определенных знаний о свойствах объекта, процесса, из ограниченного количества экспериментальных и теоретических данных. Поэтому модель нельзя построить однозначно, при этом нужно сосредоточиться на воспроизведении лишь отдельных черт поведения объекта моделирования.
Для всестороннего и полного описания свойств исследуемого объекта создается не одна, а несколько моделей. В процессе углубления наших знаний, с включением в анализ при моделировании большей количества свойств объекта-оригинала класс возможных моделей сужается, но одновременно повышается адекватность их. Из истории физики известно много случаев замены одних моделей другими. Неадекватность моделей проявляется при выходе за пределы того опыта, на основе которого она была построена. Вследствие того, что несколько моделей описывающих различные свойства и процессы, физические картины могут быть различными, иногда прямо противоположными для этих моделей.
Следует заметить, что на определенном этапе развития науки даже принципиально неправильные модели иногда могут играть прогрессивную роль. Например, представление о теплець было выходным в исследованиях Карно при создании термодинамики. Результаты, добытые им и другими учеными, которые опирались на концепцию теплецю, сохраняют свое значение и теперь, хотя теорию теплецю отвергнуто современной физикой. Известно также, что представление о световой эфир был положен в основу классических работ ученых с волновой оптики вплоть до конца XIX в. Принимая эфир за светоносное среду, ученые открыли немало законов распространения и взаимодействия света с веществом, которые остались на вооружении современной науки, пополнили раздел волновой оптики, а представление о эфир опровергнуто в специальной теории относительности. Такого рода «инвариантность» теории относительно моделей, или исходных данных, на основе которых она создается, свидетельствует о наличии в теории, особенно неполной и ограниченной, сторон, независимых от объекта и способа познания. Тот факт, что истинная теория может быть построена на основе неадекватной действительности модели, совсем не означает, что законы науки не отражают природу, которую она изучает. Существует также широкий класс изоморфных моделей, каждая из которых в определенных пределах соответствует исследуемом явлению. Единственным критерием, который может быть решающим при выборе модели как метода его совершенствования, является его соответствие действительности. Только практика отбирает для физической теории те модели, которые сохраняют научное значение и оказываются плодотворными для дальнейшего развития науки.
Следующий этап в развитии моделирование в физике связан с классической теорией поля Максвелла, который соединил моделирования с проблемой наглядности. Для этого он решил задачу построения механической модели немеханических явлений. Д. Максвелл сформулировал ее как важную методологическую проблему физики.
Современный (третий) этап развития моделирование заключается в теоретическом разработке отдельных процессов, в частности моделирование мікропроцесів. Современное физическое понимание процессов микромира не предусматривает наглядного механического представления их. В И. Ньютона объекты познания (механические явления) и сами наглядные модели; в Д. Максвелла объекты
познания (немеханические процессы электромагнитных полей) ненаочні, а модели (мысленные механические явления) наглядные.
Рассмотрим соотношение проблемы наглядности модели в современной физике микромира. Наглядность, свойственная механическим моделям, связанная с непосредственной доступностью ощущением. В настоящее время центр этой проблемы перемещается в несколько иную плоскость, где наглядность рассматривается как соответствие привычным представлениям. Истинная диалектическая философская сознание отрицает такой догматизований здравый смысл, который соответствует привычном, общепринятом. При этом стремление к наглядности оказывается стремлением втиснуть новые идеи в прокрустово ложе ухудшенного варианта предварительных представлений. Такой подход не способствует достижению научного, диалектического познания. Для этого есть непостижимым корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов, релятивистский закон сложения скоростей и др. Потеря физическими объектами наглядности с точки зрения привычности, ясности является важной общей тенденцией развития современной физической науки.
Кроме того, моделирования микрообъектов с помощью макроуявлень имеет свою существенную специфику, которая связана прежде всего с диалектически противоречивой корпускулярно-волновой природой. Этим также можно объяснить рост элемента абстрактности при толковании явлений микромира. Модели в квантовой механике составляют единство наглядного образа научной абстракции и является некоторой схематизацією действительности. При этом мы естественно упрощаем многогранный объект познания, поскольку каждый образ микромира формируется на основе непосредственных восприятий макроскопических объектов, окружающих человека, то есть сам является макроскопическим. Следовательно, для более точного воспроизведения мікрооб’єкта нужно учитывать приближенность, неточность, ограниченность таких моделей, односторонность каждого из них и пользоваться только экспериментально обоснованными моделями, которые дополняют друг друга. Существование различных моделей свидетельствует о сложность и разнообразие явлений микромира.
Одной из первых ядерных моделей была капля, впервые предложенная Я. Френкелем и развита Н. Бором. Согласно этой модели ядро атома составляет каплю протонной и нейтронной жидкостей с большой плотностью вещества (10 38 част./см 3 ) и необычайной плотностью заряда (3 · 10 19 Кл/см 3 ). Ядерные частицы, как и молекулы жидкости, имеют достаточную подвижность. При возбуждении ядра предоставлена ему энергия распределяется между всеми ядерными частицами статистическим способом, аналогично тому, как распределяется между молекулами энергия при нагревании жидкости. Однако, в отличие от молекул жидкости, состояние у всех ядерных частиц неодинаковы, поскольку им присущи волновые свойства и они подчиняются квантовым законам.
Для объяснения рассеяния а-частиц и других частиц было предложено оптическую модель ядра. Однако одной из наиболее плодотворных моделей атомного ядра является оболонкова.
Важным моментом в развитии квантовых представлений о природе поля было появление гипотезы М. Планка о дискретной природу излучения осциллятора. Идеи М. Планка развил А. Эйнштейн в своей теории фотоэффекта, в которой он рассматривал световые кванты как реально существующие частицы (фотоны). Однако идею прерывности поля, чуждую классической физике, физике восприняли не сразу.
Итак, в современной физике метод моделирование обобщается, развиваясь от первичных форм наглядных моделей к широкого использования абстракціонологічних (математических) моделей. Современное моделирование имеет две ведущие тенденции: увеличение роли элементов абстракции в моделях и обобщения сходства.
Для чего в физике вводят модельные приближения
Реальные движения тел порой так сложны, что при их изучении необходимо постараться пренебречь несущественными для рассмотрения деталями. С этой целью в физике прибегают к моделированию, т. е. к составлению упрощённой схемы (модели) явления, позволяющей понять его основную суть, не отвлекаясь на второстепенные обстоятельства. Среди общепринятых физических моделей важную роль в механике играют модель материальной точки и модель абсолютно твёрдого тела.
Материальная точка – это тело, геометрическими размерами которого в условиях задачи можно пренебречь и считать, что вся масса тела сосредоточена в геометрической точке.
Абсолютно твёрдое тело (просто твёрдое тело) – это система, состоящая из совокупности материальных точек, расстояния между которыми в условиях задачи можно считать неизменными.
Модель материальной точки применима прежде всего в случаях, когда размеры тела много меньше других характерных размеров в условиях конкретной задачи. Например, можно пренебречь размерами искусственного спутника по сравнению с расстоянием до Земли и рассматривать спутник как материальную точку. Это – верно! Но вместе с тем не стоит ограничиваться лишь подобными случаями.
Дело в том, что сложное движение реального тела можно «разложить» на два простых вида движения: поступательное и вращательное (см. Задание №1). Если при сложном движении заменить тело материальной точкой, то мы исключим из рассмотрения вращение тела, т. к. говорить о вращении точки вокруг самой себя бессмысленно (точка не имеет геометрических размеров). Следовательно, заменив тело материальной точкой при сложном движении, мы допустим ошибку. Однако часто в случаях, когда тело движется поступательно, не вращаясь, его можно считать материальной точкой независимо от размеров, формы и пройденного им пути.
Модель абсолютно твёрдого тела можно применять, когда в условиях рассматриваемой задачи деформации реального тела пренебрежимо малы. Так, например, в задании, посвящённом вопросам статики (Задание №4), мы будем изучать условия равновесия твёрдого тела и при решении задач часто применять указанную модель. Вместе с тем, данная модель неуместна, если суть задачи состоит, например, в изучении деформаций тела в результате тех или иных воздействий в процессе его движения или в состоянии покоя.
Таким образом, мы будем изучать механическое движение не самих реальных тел, а упомянутых выше моделей. Из них основной и наиболее употребимой для нас станет модель материальной точки. В то же время там, где это необходимо, мы будем ради наглядности изображать на рисунках тела не в виде точек, а в виде объектов, геометрические размеры которых не равны нулю.
Сущность и роль моделей в школьном курсе физики
Дата публикации: 24.05.2016 2016-05-24
Статья просмотрена: 1456 раз
Библиографическое описание:
Турсунов, К. Ш. Сущность и роль моделей в школьном курсе физики / К. Ш. Турсунов, Д. М. Исмоилов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 11 (115). — С. 1564-1565. — URL: https://moluch.ru/archive/115/29654/ (дата обращения: 14.12.2021).
При изучении процессов и явлений окружающего нас мира исследователи часто прибегают к моделированию. Как средству отображения или воспроизведения действительности. В физической науке для отражения понятия «физический закон» используются различные приближенные модели реальных тел.
Модельные представления физических законов заключаются в том, что на основе экспериментального изучения свойств какого-либо тела высказывается гипотеза о его внутреннем устройстве, свойствах составных частей и особенностей взаимодействия между ними. Если гипотеза способна правильно предсказывать свойства изучаемого тела, неизвестного ранее, то она превращается в теорию [1].
Характерной особенностью моделей является упрощение представлений об изучаемом объекте. Поэтому все модельные представления обуславливают приближенный характер теории, полученной с их помощью.
Рассмотрим некоторые физические модели, широко используемые для понятия взаимосвязи тел и явлений природы.
Обобщенно моделирование определяется как метод непосредственного познания, при котором для получения информации об изучаемом явлении исследуется вспомогательный или естественный объект (модель), имеющий определенное соответствие с изучаемым объектом (оригиналом) и замещающий оригинал, на определенных этапах исследования. Под моделью в физике подразумевается создаваемая на основе определенной системы представлений и идей общая картина явлений, которая с помощью абстрактного мышления и математического языка помогает понять и описать то, что изучается в данном конкретном примере.
Программа моделирования в физике и в науке вообще сводится к следующим этапам:
1) выяснение задания или задач, поставленных человеком самому себе или перед другими людьми:
2) поиск нужных элементов и их сочетаний, удовлетворяющих моделям, и создание вариантов моделей в памяти:
3) выражение вариантов моделей в виде вещественных объектов:
4) повторное восприятие и исследование физической модели, выявление непредвиденных качеств:
5) внесение поправок в модель или отказ от нее и начало работы над новой моделью.
По способу построения и средствам моделирования все модели можно условна разделить на два класса: материальные (вещественные) и идеальные (мысленные).
Материальные модели характеризуются тем, что они функционируют по естественным законам, независимо от деятельности человека. Их назначение– воспроизведение структуры, характера протекания и сущности изучаемого процесса. В материальных моделях используются аналогии. В частности, существуют электрические цепи, полностью аналогичные механическим системам.
В отличии от материальных моделей идеальные модели не имеют материальной основы, а конструируются в голове человека. Они могут фиксироваться при помощи рисунков, определенных символов (знаков), математических уравнений или просто описываться словами, Все прео6paзoвания и взаимосвязи элементов таких моделей осуществляются в сознании человека по формально-логическим, физическим правилам и законам [2].
Следует принципиально различать методы математического и физического моделирования. При математическом моделировании наиболее общим выражением требования объективной общности модели и оригинала является их изофоризм. Теоретической основой такого моделирования является теория подобия, одна из задач которой–установление зависимости между параметрами процессов, протекающих в объекте и модели.
Физическая модель, как уже подчеркивалось выше, не является копией какого-либо объекта или явления. Это определённая абстракция, в которой учитываются наиболее существенные, характерные черты изучаемых физических проблем или систем. Физические модели достаточно корректно описывают многие явления окружающего нас мира, они динамичны, постоянно совершенствуются и развиваются.
Роль моделей в научном познании Вселенной исключительно велика. На их основе наука занимается как систематизацией объектов, так и анализом их взаимодействия. В этом направлении в последние годы наметился исключительный прогресс. Бытует мнение, что научная информация каждые шесть лет удваивается и, таким образом, расширяются возможности науки. Наряду с увеличением объема информации, наука предлагает нам одновременно и приемы обобщения, позволяющие упростить картину и более широко взглянуть на изучаемые явления [3].
В поисках «философского камня» алхимики вынуждены были помнить огромное количество рецептов и специальных условий пpoтекания химических реакций. Сегодня все эти знания систематизированы при помощи атомных моделей, согласно которым, вокруг неподвижного ядра атома по орбите движутся электроны. Здесь ядро и электроны рассматриваются как материальные точки. Сложные циклы и эпициклы, которые были необходимы Птолемею для вычисления расположенных планет, были заменены более простой моделью Солнечной системы Коперником, что резко упростило и расширило возможности астрономов. Исторические примеры можно было продолжить, но и приведенных достаточно, чтобы сделать вывод об исключительно плодотворном научном методе познания Вселенной, в основе которого лежит концепция отыскания определенного порядка и закономерности в явлениях природы.
Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library
Персональные инструменты
Приближения при модельном представлении электромагнитного носителя сигналов
Содержание
Когерентное, частично-когерентное и некогерентные приближения
Когерентное приближение
Примером абсолютно когерентных оптических сигналов являются идеализированные плоские и сферические монохроматические волны (2.4.3.1). Абсолютно когерентного излучения в природе не существует, но к этому пределу (видность интерференционной структуры очень близка к единице) можно подойти вплотную в специальном случае одночастотной генерации в лазере. Хотя без специальных излучателей этот случай представляется лишь идеализацией, но результаты, которые получаются на основании идеализированного представления об абсолютной когерентности, могут быть с достаточной степенью точности использованы на практике.
В общем случае для непрерывного распределения комплексной амплитуды сумма превращается в интеграл суперпозиции для распределения комплексной амплитуды.
Частично когерентное приближение
Статистический характер изменения амплитуды и фазы оптического излучения в плоскости объекта может сильно влиять на преобразующие свойства ОЭС И РЭС.
Если изменения амплитуды и фазы во времени носят случайный характер, то поле удовлетворительно описывается только при помощи осредненных характеристик. Поэтому в общем случае говорят о ПФ ОЭС и РЭС с частично когерентным поведением. Такая ОЭС И РЭС или произвольная ОС в узком, широком или общем смысле, работающая при частично когерентном освещении и линейная относительно функции взаимной когерентности или взаимной интенсивности, называется частично когерентным фильтром (ЧКФ).
Вводя в рассмотрение комплексную степень когерентности
получим общий закон интерференции для стационарных эргодических электромагнитных полей (см. раздел «Случайные сигналы»)