物理一定要掌握的24個模型?物理學中的理想模型，是指忽略現實物理對象的次要變量而隻研究其主要變量的理想化的理論模型，因而理想模型在現實中不存在，既然現實中并不存在，那麼為什麼要研究理想模型？其意義又是什麼？現實中的物理對象通常包含許多的變量，這些變量會影響甚至決定物理對象的性質，而每個變量都對實際産生的影響大小不一樣，在分析問題時，如果全部分析這些變量，那麼問題的研究會變得非常複雜且不便，如果在人們要求的誤差範圍内，次要變量産生的影響可以忽略不計，那麼次要變量就可以忽略，而隻研究主要變量時，那麼問題會變得簡單許多，因而理想模型常常應用于物理學的分析當中，用于近似實際物理對象例如人們在研究氣體的熱力學規律時，發現氣體的質量、溫度、壓強和體積存在一定的關系，也和其他的變量存在關系，如分子體積、勢能以及分子與容器壁碰撞造成的動能損失，然而在一定條件下，這些變量造成的影響微乎其微，那麼人們就忽略這些變量，建立一個理想氣體模型，按照這個模型可以寫出一個關于氣體質量、溫度、壓強和體積關系的簡單公式，也就是理想氣體狀态方程，這對于氣體熱力學的研究是很方便的，我來為大家科普一下關于物理一定要掌握的24個模型?下面希望有你要的答案，我們一起來看看吧!

物理一定要掌握的24個模型

物理學中的理想模型，是指忽略現實物理對象的次要變量而隻研究其主要變量的理想化的理論模型，因而理想模型在現實中不存在，既然現實中并不存在，那麼為什麼要研究理想模型？其意義又是什麼？現實中的物理對象通常包含許多的變量，這些變量會影響甚至決定物理對象的性質，而每個變量都對實際産生的影響大小不一樣，在分析問題時，如果全部分析這些變量，那麼問題的研究會變得非常複雜且不便，如果在人們要求的誤差範圍内，次要變量産生的影響可以忽略不計，那麼次要變量就可以忽略，而隻研究主要變量時，那麼問題會變得簡單許多，因而理想模型常常應用于物理學的分析當中，用于近似實際物理對象。例如人們在研究氣體的熱力學規律時，發現氣體的質量、溫度、壓強和體積存在一定的關系，也和其他的變量存在關系，如分子體積、勢能以及分子與容器壁碰撞造成的動能損失，然而在一定條件下，這些變量造成的影響微乎其微，那麼人們就忽略這些變量，建立一個理想氣體模型，按照這個模型可以寫出一個關于氣體質量、溫度、壓強和體積關系的簡單公式，也就是理想氣體狀态方程，這對于氣體熱力學的研究是很方便的。

下面，通過幾個例子來介紹一些理想模型與現實物理對象的關系。

慣性參考系是牛頓運動定律成立的參考系，是牛頓運動定律定義的參考系，因而在牛頓力學中，研究物體的運動常常用到慣性參考系。慣性參考系具有幾個性質，其一是慣性參考系自身沒有加速度，其二是不旋轉，在慣性參考系中所做的任何封閉的實驗都不能确定該參考系的運動狀态，某物理定律在一個慣性參考系中成立，那麼在另一慣性參考系中也成立，那麼所有的慣性參考系都是等價的。

既然慣性參考系是理想模型，意思就是現實中不存在，那麼為何現實中不存在慣性參考系呢？我們知道，宇宙中所有的天體都要受到其他的天體引力，因而所有的天體都存在加速度，所有的天體都是非慣性參考系。當然在研究實際問題時，我們可以根據需要，将某些加速度或旋轉影響小的參考系近似為慣性參考系，比如，地面的低速運動就可以以地面為近似慣性參考系，而近似的理想模型都是相對的，根據人們的需要而發生變化，如果是研究火箭和人造衛星的運動，那麼不能以地面為近似慣性參考系，而以地心為近似慣性參考系，研究太陽系的行星運動時，又以太陽為近似慣性參考系，研究星系的運動時，不能以太陽為近似慣性參考系，隻能選擇其他對象為近似慣性參考系。

質點是牛頓力學的概念，把一個實際物體當做一個沒有體積的點來分析。中學物理大部分的物體都是當做質點的，因為質點不涉及轉動問題，在分析物體的平動時顯得很方便。高中物理的萬有引力定律及其公式的成立條件就是物體可看作質點，否則無法簡單套用其公式。然而現實中的物體都是存在一定的體積的，并且或多或少都涉及轉動問題。那麼微觀粒子可以看作質點嗎？因為質點是牛頓力學的概念，而微觀粒子的運動不符合牛頓力學，因而不能把微觀粒子當做質點看待。

那要在什麼樣的條件下才能把物體近似為質點呢？以萬有引力定律為例，當兩個物體的距離遠大于它們的自身尺寸時，比如距離大于兩個物體的直徑一百倍或一千倍以上，那麼物體的體積可以忽略不計，那麼物體就可以近似為質點，直接應用萬有引力公式計算引力。太陽和地球的距離約為1.5億公裡，太陽的直徑為139萬公裡，地球的直徑則更小，日地距離大于太陽直徑的一百倍，所以計算日地間的萬有引力可以把太陽和地球近似為質點。

在運動和受力時，形狀和大小不變，而且内部各點的相對位置不變的物體稱之為剛體，簡單來講，就是不發生形變的物體，與軟體相對應。在工程領域，剛體這一概念應用很廣泛，現實中很多的材料在運動和受力時形變很微小，比如硬度大的金屬材料和玻璃材料，在研究這些材料時，由于形變很微小，人們就将其近似為剛體，簡化問題的分析。現實中并不存在不形變的物體，而許多物體，都可以看成近似剛體，如鐵球、玻璃球等。

黑體能夠吸收外來的全部電磁波，并且沒有任何的反射和投射，物理學家以黑體作為熱輻射的研究對象。注意，黑體并不一定是黑的，黑體可以輻射電磁波，當黑體不輻射可見光時，黑體是黑色的，如果輻射可見光，黑體就不是黑色的，一定要搞懂黑體的概念。人們通過黑體的輻射來研究熱輻射規律，在研究黑體輻射的過程中，物理學家發現黑體輻射規律不符合經典物理學的定律，這成為20世紀初的物理學烏雲，之後普朗克研究黑體輻射時，提出普朗克公式描述黑體輻射，并說明黑體輻射的能量不是連續的，而是離散的，由此引起量子力學的誕生。

幾何光學中的光線沿直線傳播，并符合反射折射規律，一條光線可以看作一條幾何的線，因此稱幾何光學。幾何光學忽略光的波動性，即不會發生幹涉和衍射等波動現象，一般在短波光，大孔徑的條件下，光的波動性可以忽略，研究的光學的傳播反射折射問題時采用幾何光學即近似處理，一般的光學鏡片就可以采用幾何光學分析。反之，長波光或小孔徑的條件，光的波動性比較明顯，就無法忽略幹涉衍射現象，此時再使用幾何光學就會造成比較大的誤差，比如無線電波的傳播，由于無線電波波長很大，長達數米甚至數千米，其波動性就會很明顯，而使用物理光學即波動光學就能精确分析問題。

理想氣體是氣體分子無體積、無分子勢能、分子與容器壁發生的碰撞為彈性碰撞的氣體。研究理想氣體的熱力學規律時，可以得到一個簡單的方程，即理想氣體狀态方程：pV=nRT，p為壓強，V為體積，n為物質的量，反映氣體分子數量的量，R為普适氣體常數，T為熱力學溫度。該方程反映氣體的分子數量、壓強、體積和熱力學溫度之間的關系，從該方程可以看出，一定量的氣體，若壓強不變，則體積與熱力學溫度成正比，若體積不變，壓強與熱力學溫度成正比，若熱力學溫度不變，壓強與體積成反比。由于理想氣體無分子勢能，且分子與容器壁碰撞不損耗動能，那麼一定量的理想氣體的内能由其溫度和體積決定，在研究氣體的狀态以及吸熱放熱問題時使用理想氣體模型很方便。現實中的氣體，如果其液化點很低，實際溫度遠高于其液化點，壓強不大的情況下，由于分子間的距離遠，因而可以看作質點，并可忽略分子勢能，便可以近似為理想氣體，氫氣和氦氣由于液化點最低，其液化難度最大，因此最接近理想氣體。

變壓器是電氣工程領域廣泛應用的電器，變壓器由兩股線圈纏繞在一塊導磁體上，為了簡化分析，理想變壓器的模型就提出來了。在理想變壓器的模型中，導線無電阻，導磁鐵芯磁導率無窮大，無漏磁，線圈全耦合，電感和互感都是無窮大。在正弦交流電路中，輸入線圈和輸出線圈的匝數之比等于輸入線圈和輸出線圈的電壓之比并且同相，理想變壓器沒有能量損耗，這樣能簡化實際的問題分析。現實中的變壓器，如果線圈電阻很小，導磁鐵芯導磁率很大，線圈耦合系數很大，電感和互感參數很大，那麼在誤差處于可接受的範圍内，就可以把現實的變壓器近似為理想變壓器。

滿足齊次性和疊加性的電路稱線性電路，齊次性指在隻有一個獨立激勵源的電路中，電路各支路的響應（電壓或電流）與激勵成正比，疊加性指在有多個獨立激勵源的電路中，各支路的響應等于各獨立源單獨作用時産生的響應之和，當然在正弦交流電路中，電壓和電流用相量表示。同時滿足齊次性和疊加性的電路為線性電路，否則為非線性電路。線性電路的分析非常簡單，因而理論中研究的電路多數是線性電路，實際的電路設計也盡可能接近線性電路，而非線性電路的分析是很麻煩的。線性電路是由電路性質決定的，其中的電路元件的參數為固定值，如電阻、電容、電感、互感等，這些參數不因電壓、電流和時間而變化，除非人為改變。現實的電路都是非線性電路，以電阻為例，電阻在通過電流時會發熱，導緻電阻發生變化，并且電流不同，其發熱的程度也不同，電阻也會不同，如果電阻的電阻值變化很微弱并在可接受的誤差範圍内時，就可以近似為線性電阻。

有人說，既然牛頓力學被相對論和量子力學推翻了，那為什麼現實中還要廣泛應用牛頓力學呢？從嚴格的數學角度來講，牛頓力學确實不正确，然而在宏觀、低速、弱引力場的條件下，物體的運動規律是極其近似牛頓力學規律的，以至于很難感覺到其誤差的存在。在經典物理學時代，牛頓力學确實是真理，後來牛頓力學被相對論和量子力學推翻後，并沒有被人們抛棄，而是發生了本質的改變，即牛頓力學從經典物理學的真理轉化為後來的理想模型，在宏觀、低速、弱引力場的條件下，使用這個理想模型分析運動問題基本是沒問題的。

牛頓力學有幾個主要的思想，牛頓力學認為時空是平直的絕對的且時間與空間不相關，物體的質量與其運動狀态無關，相對速度的運算是線性的，物體的動量與位置是完全确定的，物體的運動是可以完全預測的等。在宏觀、低速、弱引力場的條件下，時空以及物體的運動規律極其吻合牛頓力學，以至于不采用精确儀器無法察覺其差異，因而在技術不發達的二十世紀之前，牛頓力學被視為真理。而在微觀或高速或強引力場的條件下，實際的運動規律與牛頓力學就出現了明顯的差異。

愛因斯坦的狹義相對論指出，任何物體的運動速度不能超過光速，由此推導出，時間與空間是相對的，時空要受物體運動速度影響，并且時間與空間是相關的，物體的質量要受其運動速度影響，質量與速度的關系如下：

其中m0為靜止質量，v為速度，可以看出，當速度遠小于光速時，質量變化很小，因此可以用牛頓力學分析，當速度增大時，質量增大，速度接近光速時，質量接近無窮大。當然，在相對論中，相對速度的運算是非線性的，很多人都疑惑，說假設有兩個飛船，當兩者以0.9倍光速向相反方向運動時，兩者的相對速度為1.8倍光速，這不是超光速嗎？造成這種錯誤的原因是沒有理解相對論的相對時空觀，還在用牛頓經典時空進行線性運算，當然會錯誤。

在廣義相對論中，萬有引力被修改為時空彎曲造成的現象，大質量天體産生強引力場，強引力場造成空間與時間的彎曲，空間彎曲表現在光線的曲線運動，時間彎曲表現在時間的快慢随引力場的強度變化而變化。弱引力場中的時空彎曲不明顯，可以近似為平直時空。在一般情況下，地球的引力場看作弱引力場，因而地球表面的運動可以采用牛頓力學。在某些精度需求極高的條件下，就要考慮時空彎曲效應，例如，導航衛星采用原子鐘計時，地面系統也采用原子鐘計時，導航衛星定位時，即使存在很小的時間誤差也會造成明顯的導航誤差，誤差的原因是衛星的引力場比地面弱，因此衛星的時間比地面快，于是人們就通過廣義相對論的時空效應來校準衛星與地面的時間。

微觀領域，微觀粒子的運動規律通過量子力學分析，微觀粒子存在波粒二象性，運動軌迹無法預測，粒子的能量不連續，動量和位置不能同時确定等，這些都是完全違背牛頓力學的。在一些特殊條件下，如電子顯像管中的電子運動，由于其速度較大，波動性不明顯，并且運動範圍為宏觀範圍，量子效應不明顯，因此可以采用牛頓力學近似分析。

好了，寫了這麼多，隻是想說物理學中的理想模型的思想，其實就是一種近似思想，用數學語言比喻就是極限思想，理想模型類似數學中的極限值。舉個例子，反比例函數f(x)=1/x，當x很小時，函數值明顯大于0，當x無限增大時，函數值無限接近于0，當x足夠大時，函數值就可以近似為0，希望大家能夠理解。

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