模型建立
我們知道,任何一個實際物體都具有大小、形狀,帶有質量和占有空間位置等特性.這些諸多的特性摻雜在一起,使得我們在確定物體的位置和研究物體的運動時困難重重.但是,如果物體是定域在一個廣大的空間之中,物體本身的線度又遠遠小於空間的線度,那么,在確定物體在空間的位置時,物體的大小和形狀等特性就居於十分次要的地位,它們對描述的結果影響就很小.這時,我們就可以在思維中將物體的大小、形狀等特性與物體具有質量、占有空間位置兩個特性相分離,並忽略物體的大小、形狀等特性,而保留物體具有質量和占有空間位置兩個特性,即用一個帶有同樣質量,但都沒有大小和形狀的點去代替實際物體.這樣,確定物體位置的困難也就迎刃而解了.
這種人們頭腦里構思出來的沒有大小形狀,帶有質量的物體(點),在物理學中稱為質點.如果圖1中的物體,線度遠遠小於所考察的空間線度,我們就可以將它看作質點,認為它在x=10m的位置上.
代理人
用它代替實際物體帶有某種近似性.但是,這種近似所付出的微小代價,卻使我們獲得了巨大的收益.它使我們的研究對象變得非常簡單和純粹,使我們能方便地確定它的位置和研究它的運動.如果我們不肯“忍痛割愛”,硬要將赤裸裸的物體原封不動地搬來進行描述和思維,我們將會陷入深深的泥潭和叢生的荊棘之中而寸步難行.質點捨棄了實際物體的大小和形狀等特性,而保留了物體帶有質量和占有空間位置的特性.它是科學抽象的產物,是一種以理想化形態存在的客體,在客觀世界中是不存在的.自然界中找不到一個物體能與質點直接相比擬.但是,質點並不是人腦憑空想像出來的,它和實際物體之間存在著密切的關係,這種關係表現在:質點是以實際物體為基礎建立起來的,它作為實際物體的“替身”供我們描述和研究,對質點的描述和研究的結果可以代替或近似代替實際的結果.
質點這個概念雖然在高中物理中是第一次出現,但實際上它早已被我們不自覺地運用.例如,當我們乘坐的長途汽車剛駛進終點站時,我們會說“到站了”,而不會說“車頭已到站,車尾還沒到站”.這裡,我們實際上已經忽略了汽車的形狀和線度,把它看成了一個點.這個動點從一個靜點(起點站,也看成點)出發,經過一條曲線路徑,到達另一個靜點(終點站).因為汽車和車站儘管有可觀的線度,但與漫長的路途相比,卻是極其微小的.又如我們說地球與太陽間的距離約為1.5×108km,這並不是說地球上的哪個點與太陽上的哪個點之間的距離是1.5×108km,我們在敘述時,同樣也已經把太陽和地球都簡化為一個點.儘管太陽和地球都是龐然大物(太陽直徑的數量級為106km,地球直徑的數量級是104km),但與地日間距離相比,僅是它的陽和離和最小距離之間的偏差只有百分之一左右因此,忽略太陽和地球的形狀和線度,將它們都看作一個點,對某些問題的研究並不會造成多大的影響.
套用範圍
由上面的論述我們看到,當物體本身的線度與所研究的空間線度相比很小時,可以將物體視為質點,從而方便地確定物體的位置,而不會造成多大的誤差.質點模型的建立,使我們擺脫了客觀物體複雜性的困擾,從而使理論思維獲得了極大的自由.但是,我們並不滿足於此,我們進一步思考:在其他哪些場合,也同樣可以將物體視為質點呢?下面的分析將使我們看到,在其他許多情形中,物體不但可以視為質點,而且必須視.為質點.我們知道,物體的機械運動有平動(即平行移動)和轉動兩種基本形式,象汽油機中活塞的運動就是平動,而曲軸的運動則是轉動.任何複雜的機械運動都可以看成是平動和轉動的組合.當物體做平動時,物體上各個點的運動情況(包括某一時刻的速度、加速度的大小、方向;某一段時間內的位移、速度變化的大小和方向等)完全相同,因而,任何一個點的運動都能代表整體的運動.這樣,在研究物體的平動規律時,物體的大小、形狀就可以忽略不計,就可以將物體簡化為一個質點.
在自然界中,物體實際發生的運動往往是非常複雜的,不僅有物體整體的運動,還有物體上不同部位之間的相對運動.例如地球的運動就包括:繞太陽的公轉運動(即地球整體的運動);繞地軸的自轉運動;潮汐所表現的變形運動;地殼變化的運動以及地球上動植物的運動等.當研究地球的公轉時,地球繞地軸的自轉運動、潮汐所表現的變形運動、地殼變化的運動及動植物的運動等均屬無關因素,於是我們可以將這些運動忽略,而留下的只有地球整體的平動.這時,我們也可以將地球的大小和形狀略去不計,而將它簡化為質點.又如,運動員跑步時,既有身體整體的向前移動(平動),又有手、腳的前後擺動及身體的上下振動等.如果要計算運動員跑完全程所需的時間,我們所關心的是運動員身體整體的平動,而不是其他運動,這時,我們也可將其他運動忽略,而突出平動部分,因此,也可以將他簡化為一個質點.
總之,當我們研究物體的平動或平動部分的規律時,可以忽略物體的大小和形狀等特性,而突出它具有質量和占有空間位置兩個特性,將物體簡化為質點.從運動角度看,我們忽略了轉動和變形運動;從物體角度看,我們忽略了物體的大小和形狀,這兩者是一致的.因為忽略了轉動和變形運動,就意味著物體的形狀和大小可被忽略;而忽略了物體的大小和形狀,我們也就無法再考慮物體的轉動和變形運動了.
當研究物體的轉動和變形運動時,雖然不能將物體整體簡化為一個質點,但是,質點模型仍可發揮作用.例如,我們可將整個物體分割成許多微小部分,小到每一部分的轉動和變形運動都可以忽略,因此,這一微小部分可視為質點.這樣,物體就可以當作許多質點的集合體處理.這種做法的實質就是將複雜的事物分解成為若干個比較簡單的事物.