理想模型

理想模型是為了便於研究而建立的一種高度抽象的理想客體。實際的物體都是具有多種屬性的，例如固體具有一定的形狀、體積和內部結構，具有一定的質量等。但是，當我們針對某種目的，從某種角度對某一物體進行研究時，有許多對研究問題沒有直接關係的屬性和作用卻可以忽略不計。

基本介紹

• 中文名：理想模型
• 介紹：種高度抽象的理想客體
• 實際的物體：都是具有多種屬性的
• 舉例：質點

舉例

質點

例如，我們從力學角度研究引力作用下物體的運動時，只需考慮質量這一最重要的屬性，其他因素均可略去。對於具有一定質量的物體，我們假設其質量集中在物體的質量中心，便抽象出質點模型．質點是力學中的一個基本概念，只要我們所考慮的運動僅涉及物體的位置移動，並且所涉及的空間尺度比物體自身的尺度大得多時，都可以用質點模型來代表所研究的客體。在上述條件下，不但微觀世界中的電子、質子、中子等基本粒子可以看作質點，地球上的各種生物和其他物體可用質點模型來代表，就是恆星、行星等各種天體，也可以看作質點。

剛體

但是，當我們要研究的客體運動，需要涉及它自身的轉動時，質點模型便不適用了，於是又抽象出剛體模型。真實的物體在受到力的作用時，多少會發生形狀的變化，當這種形變可以忽略不計時，便可近似地看作是剛體。所以剛體也是一種簡化了的理想模型。只要我們所研究的運動僅涉及平動和轉動，而不涉及物體的形變時，剛體便是很有效的力學模型。

意義

作為科學抽象的結果，理想模型也是一種科學概念，廣泛套用在各門科學中。例如，數學上所研究的不占有任何空間的“點”，沒有粗細的“線”，沒有厚度的“面”；物理學中所研究的“理想的擺”(單擺)，忽略分子本身體積和分子間作用力的“理想氣體”，不考慮其大小的“點電荷”等；在化學和生物學中也有類似的理想模型。這些理想模型都是以客觀存在為原型的。作為抽象思維的結果，它們也是對客觀事物的一種反映。在自然科學的研究中，理想模型的建立，具有十分重要的意義。由於客觀事物具有質的多樣性，它們的運動規律往往是非常複雜的，不可能一下子把它們認識清楚。引入理想模型的概念，可以使問題的處理大為簡化，從而便於人們去認識和掌握並套用它們。

理想實驗的作用

理想實驗及其在科學研究中的作用

所謂“理想實驗”，又叫做“假想實驗”、“抽象的實驗”或“思想上的實驗”，它是人們在思想中塑造的理想過程，是一種邏輯推理的思維過程和理論研究的重要方法。

“理想實驗”雖然也叫做“實驗”，但它同真實的科學實驗是有原則區別的．真實的科學實驗是一種實踐的活動，而“理想實驗”則是一種思維的活動；前者是可以將設計通過物化過程而實現的實驗，後者則是由人們在抽象思維中構想出來而實際上無法做到的“實驗”。

但是，“理想實驗”並不是脫離實際的主觀臆想．首先，“理想實驗”是以實踐為基礎的．所謂的“理想實驗”就是在真實的科學實驗的基礎上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，對實際過程作出更深入一層的抽象分析．其次，“理想實驗”的推理過程，是以一定的邏輯法則為根據的．而這些邏輯法則，都是從長期的社會實踐中總結出來的，並為實踐所證實了的。

在自然科學的理論研究中，“理想實驗”具有重要的作用．作為一種抽象思維的方法，“理想實驗”可以使人們對實際的科學實驗有更深刻的理解，可以進一步揭示出客觀現象和過程之間內在的邏輯聯繫，並由此得出重要的結論。例如，作為經典力學基礎的慣性定律，就是“理想實驗”的一個重要結論。這個結論是不能直接從實驗中得出的。伽利略曾注意到，當一個球從一個斜面上滾下而又滾上第二個斜面時，球在第二個斜面上所達到的高度同它在第一個斜面上開始滾下時的高度幾乎相等。伽利略斷定高度上的這一微小差別是由於摩擦而產生的，如能將摩擦完全消除的話，高度將恰好相等。然後，他推想說，在完全沒有摩擦的情況下，不管第二個斜面的傾斜度多么小，球在第二個斜面上總要達到相同的高度。最後，如果第二個斜面的傾斜度完全消除了，那么球從第一個斜面上滾下來之後，將以恆定的速度在無限長的平面上永遠不停地運動下去。這個實驗是無法實現的，因為永遠也無法將摩擦完全消除掉。所以，這只是一個“理想實驗”。但是，伽利略由此而得到的結論，打破了自亞里士多德以來二千多年間關於“受力運動的物體，當外力停止作用時便歸於靜止”這一類的陳舊觀念，為近代力學的建立奠定了基礎。後來，這個結論被牛頓總結為運動第一定律，即慣性定律。

愛因斯坦在建立狹義相對論時，曾經作了關於同時性的相對性的一個“理想實驗”，即：當東西兩道閃電同時下擊一條東西方向的鐵軌時，對於站在兩道閃電正中間的鐵軌旁邊的一個觀察者來說，這兩道閃電是同時發生的。但是，對於坐在一列由東向西高速行進的火車中經過第一個觀察者的第二個觀察者來說，這兩道閃電並不是同時下擊的。因為，第二個觀察者是在行近西方的閃電而遠離東方的閃電，西方的閃電到達他眼裡的時間要早一點。因此，在靜止的觀察者看來是同時發生的閃電，在運動著的觀察者看來卻是西方先亮，接著東方再亮。同時性的相對性這一概念的提出，是狹義相對論建立過程中的一個關鍵。愛因斯坦在建立廣義相對論時，作了自由下落的升降機的“理想實驗”。他構想：在自由下落的升降機里，一個人從口袋中拿出一塊手帕和一塊表，讓它們從手上掉下來，如果沒有任何空氣阻力或摩擦力，那么在他自己看來，這兩個物體就停在他鬆開手的地方。因為，在他的坐標系中，引力場已經被禁止或排除了。但是，在升降機外面的觀察者看來，則發現這兩個物體以同樣的加速度向地面落下．這個情況正揭露了引力質量和慣性質量的相等。愛因斯坦又構想了另一種情況的“理想實驗”，即：升降機不是自由下落，而是在一個不變的力的作用下豎直向上運動(即強化了升降機內部的引力場)。同時構想，有一束光穿過升降機一個側面的視窗水平地射進升降機內，並在極短的時間之後射到對面的牆上。愛因斯坦根據光具有質量以及慣性質量和引力質量等效的事實，預言一束光在引力場中會由於引力的作用而彎曲，就如同以光速水平拋出的物體的路線會由於引力的作用而彎曲一樣。愛因斯坦預言的光線在引力場中會彎曲這一廣義相對論效應，已為後來的觀測結果所證實。此外，量子論的建立也同“理想實驗”密切相關。在量子力學中，海森堡用來推導測不準關係的所謂電子束的單縫衍射實驗，也是一種“理想實驗”。因為，中等速度的電子的波長約為10－10m，這跟原子之間的距離屬於同一個數量級。因而，只要讓電子束穿過原子之間的空隙，就會發生衍射。但是，要想製成能夠使電子發生衍射的單縫，首先就必須做到把單縫周圍的所有原子之間的空隙都給堵死。實際上這是做不到的。在實驗中，人們只能觀察到電子的原子晶格衍射實驗，而無法實現電子的單縫衍射實驗。

“理想實驗”在自然科學的理論研究中有著重要的作用。但是，“理想實驗”的方法也有其一定的局限性。“理想實驗”只是一種邏輯推理的思維過程，它的作用只限於邏輯上的證明與反駁，而不能用來作為檢驗認識正確與否的標準。相反，由“理想實驗”所得出的任何推論，都必須由觀察或實驗的結果來檢驗。

在物理學中,理想模型的建立，具有十分重要的意義，可以使問題的處理大大簡化，在一定條件下，作為一種近似，可以把實際事物當做模型來處理，即將研究 理想模型 的結果直接的套用實際事物，如 在研究地球公轉的時候，由於地球的直徑（13000km)比地球和太陽的距離（150000000km）小得多，地球上各點相對於太陽的運動可以看做是相同的，即地球的形狀，大小可以忽略不計，在這種情況下，就可以直接把地球當作一個 質點 來處理。

理想模型的三類

理想模型可以分為對象模型、條件模型和過程模型三類。

對象模型

用來代替研究對象實體的理想化模型，如質點、彈簧振子、單擺、理想氣體、點電荷、理想變壓器、點光源、光線、薄透鏡以及關於原子結構的盧瑟福模型、波爾模型等都屬於對象模型。

條件模型

把研究對象所處的外部條件理想化建立的模型叫做條件模型。如光滑表面、輕桿、輕繩、均勻介質、均強電場和均強磁場都屬於條件模型。

過程模型

實際的物理過程都是諸多因素作用的結果，忽略次要因素的作用，只考慮主要因素引起的變化過程叫做過程模型。