自然界的相互作用從其性質上可以概括為四種類型,即引力作用,電磁作用,強相互作用和弱相互作用,但是具體的作用方式和過程是多樣的,每一種作用方式又是特殊的具體的。正是由于相互作用的多樣性和特殊性決定了物理運動形式多樣性,從宏觀運動到微觀的運動都是普遍的存在的。恩格斯指出:“運動,就是一般的意義來說,就它被理解為存在的方式,被理解為物質的固有屬性來說,它包括宇宙中發生的一切變化和過程,從單純的位置移動直到思維。”《自然辯證法》物理學及各分支科學力學、熱學、電學、光學、原子物理學、原子核物理學,理論物理學,相對論力學,量子力學等高中物理涉及到的內容,都是研究各種物理運動形式及其規律的科學。模型方法是物理學重要的研究方法之一。物理學中的模型種類也有許多的特點和規律。實物模型和過程模型是兩種最基本的物理模型。
過程模型是對實際物理過程的抽象化和理想化形成的模型。一般過程模型都是由實物模型和理想過程這兩要素復合而成的,過程模型是一種復合模型,過程模型就是實體模型的理想過程。運動模型是有運動的實體,有實體運動的過程。離開了實體的過程模型是不存在的。只有實體模型沒有實體的運動過程,就成了狀態模型了。過程模型是有階段性和狀態性的。一個過程是一個整體,階段和狀態就是他的重要組成部分。一個簡單的過程只由單一的過程構成,一個較復雜的過程往往有幾個性質不同的物理過程相互銜接,相互聯系復合而成。實體模型一般是質點,輕繩和輕桿,單擺,彈簧振子,點電荷,理想平面,勻強電場和勻強磁場理想變壓器等理想化模型來充當的。理想過程則是實際的物理過程的理想化和抽象化的產物,勻速直線運動,勻變速直線運動,自由落體運動,平拋運動,勻速圓周運動,簡諧振動等過程。
過程模型一般都遵循基本的物理規律。在力學中的過程模型遵循著牛頓三定律,能量轉化與守恒定律,功能原理,動能定理,動量守恒定律等,靜電學中的理想過程遵循著電荷守恒定律,庫倫定律等。簡單電路的動態變化過程遵循著閉合電路歐姆定律和能量轉化與守恒定律,電磁學中的法拉第電磁感應定律等。熱力學中熱力學的三個定律,理想氣體的理想過程,等溫過程,等壓過程,等容過程,遵循著理想氣體狀態方程。
狀態與過程總是相互聯系的,無論在宏觀世界還是在微觀領域都是如此,狀態也是過程,是暫時的過程,是瞬時的過程,而某種持續的靜止狀或者分立的量子態的變化也是一種的過程。沒有狀態就沒有過程,過程就是物理狀體的持續保持或連續變化。
分子模型,理想氣體模型,理想氣缸,光線模型,平面鏡模型,透鏡模型。
機械波,電磁振蕩,電磁波,光子模型,物質波等模型也是同過程相聯系的。
恩格斯指出:“運動是物質的存在的方式。”(反杜林論98頁)物質運動方式的多樣性,反映了物質的相互作用的多樣性和特殊性。
質點模型:質點模型是最基本的物理模型之一,也是最具普遍意義的模型。質點是一個抽象的物理模型。在一定的條件下,把實際的物理對象理想化,忽略了物理對象的具體形狀和大小,形成的理想化模型。質點模型即具有特殊意義也有普遍性的意義。質點模型普遍存在于各種具體的物理過程中,普遍存在于運動學、力學、電磁學,原子物理以及核物理學中。質點模型是應用最廣泛的一個物理模型,這是它的普遍意義,但是,在各種具體的物理過程中,各有其不同的特點,遵循著不同的物理規律,這是它的特殊性,即使在同一性質的物理過程中也有許多不同的特點。質點模型如果離開了具體的物理過程也就沒有存在的意義了。因此,質點模型是各種物理過程的重要元素,也是過程的主體之一。質點離不開過程,過程同時也是質點的狀態變化的過程。把質點和過程聯系起來才有實際的意義。
兩個點電荷即遵循庫侖定律和萬有引力定律,同時也遵循著牛頓第三定律,同一物理對象可以是不同意義的理想模型,一個物理對象既可以是點電荷又可以視為質點模型,同時遵循著幾個不同的物理規律,說明同一個物理對象的物理特性是多方面的,多樣化的,物理特性的多樣化只有在各種不同的相互作用過程中才能表現出來,在不同的物理過程中遵循著不同的運動規律,即表現為規律的多樣性和特殊性。力學中的輕桿也可以是切割磁感線的導體棒同時又是電路中的電源。可見,同一物理實體可以充當兩種或兩種以上的物理模型。
輕桿模型和理想電源(動生電動勢)在同一過程中就聯系起來了。那么他就同時遵循著力學規律和法拉第電磁感應定律、閉合電路歐姆定律這三個基本規律。
同一帶點粒子在勻強電場中,遵循電場力的作用規律的,做勻加速直線運動,當它進入勻強磁場中又遵循著在勻強磁場中的運動規律,粒子受洛侖磁力的作用,做勻速圓周運動,同一粒子參與不同的作用,就遵循著不同的運動規律。這恰好反映了同一帶電粒子的不同特性。通過不同規律體現了出來。
輕繩模型,輕桿模型,輕質彈簧。這三個模型都是有其形狀和長度而無其質量的模型,還有一個共同點就是都具有彈性,都能產生彈力的作用。輕桿模型與輕彈簧模型都可以產生兩個相反方向的彈力,而輕繩只可以對物體產生一個方向的彈力即拉力。三個模型在靜力學的平衡過程中或在運動學中的變速運動過程中,各有其具體的表現,只有在運動中才可以全面考察它們的作用,及其所遵循的規律。
勻速直線運動模型:勻速直線運動也是一種理想化的物理過程,物體或質點在過程中,速度保持均勻不變,這也是一種理想化。勻速直線運動過程分為不受任何力的和受平衡力的兩種情況。
勻變速直線運動模型:這個運動過程雖然速度是均勻地變化的,但是加速度是不變的,根據牛頓第二定律,質量,合外力,加速度三個物理量都保持不變。變化的是時間,位移,速度,動能等物理量。物體的質量與合外力都是恒定不變的。加速度保持不變的過程也是一種理想過程,因為還有更一般的運動過程存在即變加速運動過程。勻變速直線運動還有兩種形式,即勻加速直線和勻減速直線運動,這兩種運動形式又具有等效性。為解題提供了變通的思路。
自由落體模型:在自由落體運動中,質點只受重力,忽略空氣阻力,沿直線運動的過程模型。質點所做的初速度為零的勻加速直線運動。這個模型如果沒有質點,或沒有質點的運動路徑都不能構成一個過程模型。任何一個過程模型都是有運動主體的理想過程,沒有運動主體就沒有過程。在過程中考察主體的運動,主體運動的時空條件和其他條件是否為理想化。
斜面模型:斜面模型分為兩種類型,一種是理想斜面,沒有摩擦。一種是有摩擦的斜面,但是兩種斜面雖然都會對物體產生支持力的作用,但都是不會該改變其斜面的基本形狀和物理屬性,這是他們的共同點。斜面和斜面上的物體(質點)的運動過程構成一個過程模型。斜面在這里不過是運動過程的產生的環境和一個條件。過程的主體還是運動中的物體(包括通過定滑輪的連接體)或質點。有摩擦存在的過程不能稱為理想過程,忽略摩擦的過程才可以稱之為理想過程。所以對斜面模型要從兩個角度分析。在理想斜面上運動的過程,遵循勻變速直線運動規律、牛頓運動定律、機械能守恒定律。因此斜面問題可以從運動學和動力學兩個角度求解,一般有正交分解法,整體和隔離法,能量守恒法等基本方法解題。
伽利略理想斜面實驗:就是一個典型的理想實驗過程。小球能夠記憶來時路,能夠回到自己原來的座位上去。這里面就包含著質量,高度和相互作用,把這些量和他們之間的關系,抽象為一個不變的量,即能量。能量這個詞是 T.楊 于1801 年在倫敦國王學院講自然哲學時引入的。費恩曼說:“有一個事實,如果你愿意,也可以說一條定律,支配著至今所知的一切自然現象……這條定律稱做能量守恒定律。它指出某一個量,我們把它稱為能量,在自然界經歷的多種多樣的變化中它不變化。那是一個最抽象的概念……”,能量這個概念既包含著相對位置也包含著相互作用,即包含著靜止也包含著運動,有質和量的辯證否定的意義,還有變化和不變化的兩重意義。