Не все модели, применяемые в физике - физические модели. Разбираемся в классификации!
Здравствуйте, уважаемые читатели! В этой небольшой статье познакомлю вас с классификацией моделей, излагаемой профессором физического факультета МГУ В.И. Николаевым на лекциях по методике преподавания физики. На мой взгляд, это самая ясная и полная классификация. Бывает, что даже учёные называют физической моделью то, что ею не является, и путаются в терминологии моделей, а для людей, далёких от науки, понятие "модель" может вызывать совсем другие ассоциации.
Природа сложна и многообразна, и чтобы хоть что-то понять и объяснить, физикам приходится прибегать к моделированию, то есть заменять реальное явление на упрощенное. Качество упрощения - это отдельный вопрос, а классификация моделей в физике основана на способе упрощения и представлении результата моделирования.
Есть 5 видов моделей
- Абстрактная
- Физическая
- Математическая
- Компьютерная
- Демонстрационная
1. Абстрактная модель
Взамен реального объекта или явления рассматривается абстрактный объект или явление, то есть такой, которого не существует в природе. Абстрактный объект отбрасывает свойства реального предмета, которые не существенны для данной задачи. Самой распространенной абстрактной моделью в школьной физике является материальная точка - тело нулевых размеров. Когда школьник решает задачу о движении автомобиля из пункта А в пункт Б, он не рассматривает работу двигателя, пассажиров, вращение колёс, для него автомобиль - просто точка, имеющая массу и скорость. Если же этот самый автомобиль застрял в яме, и надо решить задачу о силах буксировки, то модель материальной точки уже не подойдёт - надо рассматривать вращение колёс задней и передней оси, для этого используется модель абсолютно твердого тела. Если в процессе буксировки у машины лопнуло колесо, то шина не будет абсолютно твердой, и придется привлекать модель идеального газа для решения задачи накачивания шины. Выбор абстрактной модели - важный этап решения любой задачи, за школьников это обычно делают учителя и составители учебников, а учёным приходится выкручиваться самим.
2. Физическая модель
Вместо реального объекта или явления исследуется другой реальный объект или явление. Это работает для тех объектов или явлений, которые трудно исследовать в лаборатории. Например, полеты самолетов. Вместо того, чтобы строить реальный самолёт и рисковать их, учёные исследуют поведение макетов самолётов в аэродинамической трубе. В лаборатории можно создать физическую модель вулкана или гейзера, магнитного поля Земли, движения Земли вокруг Солнца, и так далее. Главное требование к физическим моделям - их свойства не должны искажать исследуемое явление. Например, в аэродинамической трубе скорость воздуха подбираются так, чтобы характер обтекания крыла был таким же, как для реальных самолетов, используются специальные критерии подобия, рассчитанные из математических уравнений.
3. Математическая модель
Это система уравнений, описывающая исследуемый объект или явление. В школьной физике это законы Ньютона для сил, законы сохранения энергии и импульса, законы, описывающие индивидуальные свойства сил (упругости, трения, тяжести, электростатики). Это и есть те самые формулы, которые многие люди считают самыми трудными в физике. По моему опыту, если в задача решается с помощью формул, то это простая задача. К большинству новых задач, с которыми сталкиваются учёные, так просто не подступиться, даже не сразу скажешь, какие физические величины неизвестны, какие свойства существенны, а чем можно пренебречь. Без абстрактной модели нельзя построить математическую модель. Например, в моей статье про блок показано, как упрощающие предположения делают задачу посильной для решения.
4. Компьютерная модель
Это модель, построенная с помощью возможностей компьютеров. Сюда входят вычислительные модели, решающие системы уравнений, графические модели, анимации. В современном мире компьютерные модели играют важнейшую роль в исследованиях. Пожалуй, ни одна из физических статей, опубликованных за последние 20 лет, не обошлась без использования компьютеров в той или иной мере. Но опять же, компьютер не может заменить учёного в выборе абстрактной модели, а без этого "засунуть" задачу в компьютер не получится.
5. Демонстрационная модель
Это модель, удобная для показа. Демонстрационная модель позволяет показать явление наиболее ярко и интересно. Такие модели используются в научных шоу, научно-популярных видео и лекционных демонстрациях. В школе показывают электрофорную машину, электрические "султаны", демонстрирующие отталкивание зарядов. Создание таких моделей - отдельное мастерство. На физическом факультете МГУ есть кабинет физических демонстраций со специально выделенными для этих целей инженерами и лаборантами.
Я предпочитаю простые демонстрационные модели, сделанные из вещей, доступных в каждодневном быту. Вот, например, демонстрационные модели поршневого жидкостного насоса для моего школьного урока.
Каково разнообразие моделей! Быть исследователем - значит до конца осознавать ту модель, в рамках которой работаешь, и стараться заглянуть за эти рамки, приблизиться к реальной жизни.
Друзья, спасибо что дочитали до конца! Если вам понравилось - поставьте лайк! Интересно приобщиться к миру науки? Подпишитесь на мой канал!
