自然界的相互作用从其性质上可以概括为四种类型,即引力作用,电磁作用,强相互作用和弱相互作用,但是具体的作用方式和过程是多样的,每一种作用方式又是特殊的具体的。正是由于相互作用的多样性和特殊性决定了物理运动形式多样性,从宏观运动到微观的运动都是普遍的存在的。恩格斯指出:“运动,就是一般的意义来说,就它被理解为存在的方式,被理解为物质的固有属性来说,它包括宇宙中发生的一切变化和过程,从单纯的位置移动直到思维。”《自然辩证法》物理学及各分支科学力学、热学、电学、光学、原子物理学、原子核物理学,理论物理学,相对论力学,量子力学等高中物理涉及到的内容,都是研究各种物理运动形式及其规律的科学。模型方法是物理学重要的研究方法之一。物理学中的模型种类也有许多的特点和规律。实物模型和过程模型是两种最基本的物理模型。
过程模型是对实际物理过程的抽象化和理想化形成的模型。一般过程模型都是由实物模型和理想过程这两要素复合而成的,过程模型是一种复合模型,过程模型就是实体模型的理想过程。运动模型是有运动的实体,有实体运动的过程。离开了实体的过程模型是不存在的。只有实体模型没有实体的运动过程,就成了状态模型了。过程模型是有阶段性和状态性的。一个过程是一个整体,阶段和状态就是他的重要组成部分。一个简单的过程只由单一的过程构成,一个较复杂的过程往往有几个性质不同的物理过程相互衔接,相互联系复合而成。实体模型一般是质点,轻绳和轻杆,单摆,弹簧振子,点电荷,理想平面,匀强电场和匀强磁场理想变压器等理想化模型来充当的。理想过程则是实际的物理过程的理想化和抽象化的产物,匀速直线运动,匀变速直线运动,自由落体运动,平抛运动,匀速圆周运动,简谐振动等过程。
过程模型一般都遵循基本的物理规律。在力学中的过程模型遵循着牛顿三定律,能量转化与守恒定律,功能原理,动能定理,动量守恒定律等,静电学中的理想过程遵循着电荷守恒定律,库伦定律等。简单电路的动态变化过程遵循着闭合电路欧姆定律和能量转化与守恒定律,电磁学中的法拉第电磁感应定律等。热力学中热力学的三个定律,理想气体的理想过程,等温过程,等压过程,等容过程,遵循着理想气体状态方程。
状态与过程总是相互联系的,无论在宏观世界还是在微观领域都是如此,状态也是过程,是暂时的过程,是瞬时的过程,而某种持续的静止状或者分立的量子态的变化也是一种的过程。没有状态就没有过程,过程就是物理状体的持续保持或连续变化。
分子模型,理想气体模型,理想气缸,光线模型,平面镜模型,透镜模型。
机械波,电磁振荡,电磁波,光子模型,物质波等模型也是同过程相联系的。
恩格斯指出:“运动是物质的存在的方式。”(反杜林论98页)物质运动方式的多样性,反映了物质的相互作用的多样性和特殊性。
质点模型:质点模型是最基本的物理模型之一,也是最具普遍意义的模型。质点是一个抽象的物理模型。在一定的条件下,把实际的物理对象理想化,忽略了物理对象的具体形状和大小,形成的理想化模型。质点模型即具有特殊意义也有普遍性的意义。质点模型普遍存在于各种具体的物理过程中,普遍存在于运动学、力学、电磁学,原子物理以及核物理学中。质点模型是应用最广泛的一个物理模型,这是它的普遍意义,但是,在各种具体的物理过程中,各有其不同的特点,遵循着不同的物理规律,这是它的特殊性,即使在同一性质的物理过程中也有许多不同的特点。质点模型如果离开了具体的物理过程也就没有存在的意义了。因此,质点模型是各种物理过程的重要元素,也是过程的主体之一。质点离不开过程,过程同时也是质点的状态变化的过程。把质点和过程联系起来才有实际的意义。
两个点电荷即遵循库仑定律和万有引力定律,同时也遵循着牛顿第三定律,同一物理对象可以是不同意义的理想模型,一个物理对象既可以是点电荷又可以视为质点模型,同时遵循着几个不同的物理规律,说明同一个物理对象的物理特性是多方面的,多样化的,物理特性的多样化只有在各种不同的相互作用过程中才能表现出来,在不同的物理过程中遵循着不同的运动规律,即表现为规律的多样性和特殊性。力学中的轻杆也可以是切割磁感线的导体棒同时又是电路中的电源。可见,同一物理实体可以充当两种或两种以上的物理模型。
轻杆模型和理想电源(动生电动势)在同一过程中就联系起来了。那么他就同时遵循着力学规律和法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律这三个基本规律。
同一带点粒子在匀强电场中,遵循电场力的作用规律的,做匀加速直线运动,当它进入匀强磁场中又遵循着在匀强磁场中的运动规律,粒子受洛仑磁力的作用,做匀速圆周运动,同一粒子参与不同的作用,就遵循着不同的运动规律。这恰好反映了同一带电粒子的不同特性。通过不同规律体现了出来。
轻绳模型,轻杆模型,轻质弹簧。这三个模型都是有其形状和长度而无其质量的模型,还有一个共同点就是都具有弹性,都能产生弹力的作用。轻杆模型与轻弹簧模型都可以产生两个相反方向的弹力,而轻绳只可以对物体产生一个方向的弹力即拉力。三个模型在静力学的平衡过程中或在运动学中的变速运动过程中,各有其具体的表现,只有在运动中才可以全面考察它们的作用,及其所遵循的规律。
匀速直线运动模型:匀速直线运动也是一种理想化的物理过程,物体或质点在过程中,速度保持均匀不变,这也是一种理想化。匀速直线运动过程分为不受任何力的和受平衡力的两种情况。
匀变速直线运动模型:这个运动过程虽然速度是均匀地变化的,但是加速度是不变的,根据牛顿第二定律,质量,合外力,加速度三个物理量都保持不变。变化的是时间,位移,速度,动能等物理量。物体的质量与合外力都是恒定不变的。加速度保持不变的过程也是一种理想过程,因为还有更一般的运动过程存在即变加速运动过程。匀变速直线运动还有两种形式,即匀加速直线和匀减速直线运动,这两种运动形式又具有等效性。为解题提供了变通的思路。
自由落体模型:在自由落体运动中,质点只受重力,忽略空气阻力,沿直线运动的过程模型。质点所做的初速度为零的匀加速直线运动。这个模型如果没有质点,或没有质点的运动路径都不能构成一个过程模型。任何一个过程模型都是有运动主体的理想过程,没有运动主体就没有过程。在过程中考察主体的运动,主体运动的时空条件和其他条件是否为理想化。
斜面模型:斜面模型分为两种类型,一种是理想斜面,没有摩擦。一种是有摩擦的斜面,但是两种斜面虽然都会对物体产生支持力的作用,但都是不会该改变其斜面的基本形状和物理属性,这是他们的共同点。斜面和斜面上的物体(质点)的运动过程构成一个过程模型。斜面在这里不过是运动过程的产生的环境和一个条件。过程的主体还是运动中的物体(包括通过定滑轮的连接体)或质点。有摩擦存在的过程不能称为理想过程,忽略摩擦的过程才可以称之为理想过程。所以对斜面模型要从两个角度分析。在理想斜面上运动的过程,遵循匀变速直线运动规律、牛顿运动定律、机械能守恒定律。因此斜面问题可以从运动学和动力学两个角度求解,一般有正交分解法,整体和隔离法,能量守恒法等基本方法解题。
伽利略理想斜面实验:就是一个典型的理想实验过程。小球能够记忆来时路,能够回到自己原来的座位上去。这里面就包含着质量,高度和相互作用,把这些量和他们之间的关系,抽象为一个不变的量,即能量。能量这个词是 T.杨 于1801 年在伦敦国王学院讲自然哲学时引入的。费恩曼说:“有一个事实,如果你愿意,也可以说一条定律,支配着至今所知的一切自然现象……这条定律称做能量守恒定律。它指出某一个量,我们把它称为能量,在自然界经历的多种多样的变化中它不变化。那是一个最抽象的概念……”,能量这个概念既包含着相对位置也包含着相互作用,即包含着静止也包含着运动,有质和量的辩证否定的意义,还有变化和不变化的两重意义。