для чего в физике вводят модельные приближения
Физические модели
Всего получено оценок: 269.
Всего получено оценок: 269.
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.
Физические модели
План-конспект урока объяснения нового материала. 10-й класс
Физика как наука о наиболее общих законах развития природы играет ведущую роль в формировании научного мировоззрения школьников, поэтому особое внимание на уроках должно уделяться знакомству с методами научного познания. Оно должно сопровождать изучение всех разделов курса, однако решающую роль играют первые уроки. Обязательным этапом при этом – и при изучении нового материала, и при решении задач, и при выполнении лабораторных работ – является моделирование – процесс построения мысленной идеальной модели физического объекта или явления.
В качестве примера хотелось бы привести план урока «Физические модели» (УМК В.А.Касьянова). На предшествующем уроке рассматривались этапы и формы познания в физике, поэтому проверка домашнего задания связана со структурой научного знания и его особенностями. Кроме того, учащимся предлагаются задания для проверки сформированности оценочных умений, умений выявлять переменные, проверять данные, интерпретировать, решать нестандартные задачи. Результаты такой проверки помогают осуществлять в дальнейшем индивидуализированный подход к учащимся.
Образовательная цель: формирование представления о физических моделях и модельных приближениях как необходимом этапе научного познания.
Оборудование: на каждый стол – комплект карточек-заданий, визитка (карточка с указанием имени и фамилии учащегося).
1. Организационный момент (2 мин)
2. Проверка знаний, их актуализация (10 мин)
Вопросы раздаются по рядам (на каждый стол по 2 вопроса по теме ряда и полный перечень вопросов). Если учащиеся не могут ответить на «свои» вопросы, им помогают сидящие за следующим столом или в другом ряду. Каждый учащийся может выбрать для себя тот вопрос, на который он может дать наиболее полный и обоснованный ответ.
1-й ряд (у окна): «Эксперимент»
1. Как вы понимаете, что такое эксперимент?
2. Приведите примеры физических экспериментов.
3. Чем эксперимент отличается от наблюдения?
4. Какую роль играют эксперименты в физике?
5. От чего могут зависеть результаты эксперимента, их точность?
6. Представьте себе, что проводится опыт по нагреванию воды в сосуде и с помощью термометра определяется температура в момент кипения. Можно ли утверждать, что вода обязательно закипит при температуре 100 °С?
7. Могут ли измениться результаты эксперимента, если первый раз его проводит Петя, а второй — Вова? Объясните.
8. Проводя эксперимент по определению жёсткости пружины, ученик получил ответ, не соответствующий табличному значению. Почему такое могло произойти?
9. Какую роль в физике играют гипотезы? Приведите примеры физических гипотез.
10. Какую роль играют физические наблюдения?
2-й ряд (середина): «Физический закон»
1. Как вы понимаете, что такое физический закон?
2. Чем отличается физический закон от любого другого физического знания?
3. Что общего между любым физическим законом и другим физическим знанием?
4. Всегда ли верен физический закон? Приведите примеры.
5. Выскажите свою точку зрения и объясните, являются ли законами: а) «золотое правило» механики; б) принцип относительности Галилея; в) уравнение движения х = х0 + 
0t.
6. Почему законы сохранения энергии и импульса называют фундаментальными?
7. Можно ли назвать закон Гука фундаментальным?
8. Как вы ответите на вопрос: «Правильны ли законы Ньютона»?
3-й ряд (у стены): «Физическая теория»
1. Что такое физическая теория?
2. Какие элементы физического знания включает в себя физическая теория? Какова структура физической теории?
3. Как вы понимаете слова объяснительная и предсказательная функции теории? Приведите примеры.
4. Какую роль играют фундаментальные опыты в физической теории? Ответ поясните на примерах.
5. Как взаимосвязаны физический закон и физическая теория? Приведите примеры.
6. Является ли научная теория абсолютно точным отображением действительности? Поясните.
7. Какую роль в физике играют научные наблюдения? Приведите примеры.
8. Какую роль играют в физике гипотезы? Приведите примеры физических гипотез.
3. Проверка сформированности различных умений (12 мин)
1. Каково отношение длины вашей руки к длине вашего пальца по порядку величины?
2. В электрической цепи с постоянным источником напряжения изменение сопротивления приводит к изменению силы тока. Какое из следующих ниже утверждений является правильным?
А) Зависимой переменной является сила тока, а независимой – сопротивление;
Б) зависимой переменной является сопротивление, а независимой – сила тока;
В) зависимой переменной является сила тока, а независимой – напряжение;
Г) зависимой переменной является напряжение, а независимой – сила тока.
(Выявление переменных величин.)
3. В четырёх экспериментах были получены следующие значения для периода колебаний маятника: 8,0 с; 8,1 с; 8,3 с и 9,6 с. Отметив последнее значение (9,6 с), в идеале учащийся должен:
А) получить среднее значение с учётом 9,6 с;
Б) перевести 9,6 с в другие единицы;
В) провести четвёртое измерение вновь;
Г) заменить 9,6 с на 8,1 с.
(Проверка достоверности экспериментальных данных.)
4. Движение тела описано на приведённом графике. Какое заключение можно сделать?
А) Скорость тела является постоянной;
Б) ускорение тела является постоянным;
В) ускорение свободного падения равно 9,8 м/с 2 ;
Г) на тело не действует никакая сила.
5. На планете Х стандартные единицы физических величин не обязательно такие же, как на Земле. Чтобы выяснить, как ведут себя тела при движении вдоль твёрдой и гладкой поверхности планеты, вновь прибывшие учёные хотят провести ряд опытов.
а) Какие инструменты вы бы взяли из школьной лаборатории? Обоснуйте свой выбор;
б) опишите, как вы могли бы использовать это оборудование для измерения ускорения свободного падения на планете Х;
(Умение решать нестандартные задачи.)
6. Звук обычно распространяется быстрее в твёрдых телах, чем в воздухе. В школьных коридорах очень шумно, поэтому учитель закрывает дверь, и меньше звука попадает в класс. Основываясь на знаниях о волнах, опишите, с чем связано это явление.
(Умение решать нестандартные задачи.)
7. Производитель автомобилей может сконструировать два типа машин: один – с жёстким кузовом, а другой – с разрушающимся при ударе, но оставляющим в сохранности пассажирский салон. Опираясь на знания об импульсе силы и механическом импульсе тела, приведите аргументы «за» и «против» каждого типа конструкции.
(Проверка и последующее обсуждение результатов на этом этапе позволяют сделать первоначальные выводы о сформированности проверяемых умений и использовать индивидуализированный подход в обучении.)
4. Объяснение нового материала (13 мин, тезисы лекции)
Каждый шаг в изучении природы – приближение к истине. Физические законы – это только отдельные ступени в познании окружающего мира. Изучать сложные природные явления часто невозможно без введения упрощающих предположений, так что полученные с помощью теории результаты описывают приближённую картину. Эти приближения называются модельными.
Моделирование – это процесс построения мысленной идеальной модели объекта или явления для их изучения и объяснения. Он представляет собой обязательный, необходимый этап научного познания, потому что бесконечно многообразный материальный мир в принципе не может одновременно изучаться во всех своих бесконечных аспектах, связях и отношениях.
Для любого объекта или явления, изучаемого в физике, создаётся модель, при этом происходит абстрагирование, отвлечение от несущественных в условиях данной физической задачи сторон действительности и выделение сторон главных, существенных для данного этапа и уровня познания объекта или процесса. В результате появляется описание идеального объекта (процесса), заменяющего в дальнейшем реальный материальный объект (процесс).
После построения модели изучают именно её. Правомерность выводов, полученных при изучении модели, проверяется путём выяснения соответствия этих выводов результатам научного эксперимента.
Вопрос учащимся. Что даёт нам право изучать движение материальных точек, ведь таких объектов в природе нет?
Во многих случаях в физике употребляются различные названия объектов и явлений, а также различные названия моделей этих объектов и явлений. Например, реальный груз на нити можно назвать нитяным маятником, а его модель – математическим маятником.
По мере развития науки каждая последующая модель одного и того же объекта приближала к пониманию его строения и свойств.
Границы применимости физической теории определяются пределами применимости используемой модели. Любая теория является описанием некоторой модели физической системы, некоторым приближением к реальности и поэтому в дальнейшем может быть развита и обобщена.
5. Закрепление (5 мин)
Что такое физическая модель? Приведите примеры. В чем заключается взаимосвязь теории и физической модели? Чем определяются границы применимости физической теории?
6. Подведение итогов урока, сообщение домашнего задания (на выбор) (3 мин)
1. Придумайте и обоснуйте классификацию физических моделей.
2. Составьте перечень изученных ранее физических моделей, попытайтесь обосновать, почему мы имееем право ими пользоваться. Результаты сведите в таблицу вида:
Название физической модели
Основания для её использования
3. Составьте тест из пяти вопросов по содержанию § 4 (к каждому вопросу – по 4 варианта ответов, отметьте правильный ответ).
4. Составьте развёрнутый план к § 4.
1. Шаронова Н.В., Важеевская Н.Е. Дидактические материалы по физике: 7–11 классы. – М.: Просвещение, 2005.
2. Орлов В.А. и др. Программа по физике. – Физика в школе, 2004, № 8.
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.
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»)
Сущность и роль моделей в школьном курсе физики
Дата публикации: 24.05.2016 2016-05-24
Статья просмотрена: 1448 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: 06.12.2021).
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.