知识背景
1953 年，沃森和克里克在剑桥大学的实验室里用铁皮和铁丝搭出了一个歪歪扭扭的螺旋结构。那不是 DNA，DNA 比它小几亿倍；但正是靠这个铁丝架子，人类第一次「看见」了遗传物质的样子。
科学研究里有一个反复出现的困境：要研究的东西常常太小、太大、太快或太抽象，没法直接看、直接摸。分子直径只有十亿分之几米，太阳系跨度上百亿公里，一次化学反应可能在百万分之一秒内完成。
科学家的应对办法惊人地一致——造一个替身。用一个看得见、摸得着、算得出的东西去代表那个看不见的对象，这就是模型。同时，为了让全世界的人不必先学会对方的语言就能交流，他们又约定了一整套符号： 无论在杭州还是伦敦，都是水。
本节是整个第 2 章的入口。从这里开始，我们要用模型去理解分子、原子，用符号去书写元素和物质。先把这两把钥匙握牢。
知识讲解
什么是模型
根据研究的需要，人们对研究对象进行简化和抽象，建立起来的一种替代物，叫做模型。
模型的核心价值：帮助人们认识和理解那些无法直接观察的事物。
模型并不等于研究对象本身。它只保留我们关心的那些特征，故意舍弃掉不关心的细节。一个塑料地球仪不会有真实的山川草木，但它准确保留了海陆分布和经纬关系——这就够了。
模型的常见类型
| 类型 | 说明 | 例子 |
|---|---|---|
| 实物模型 | 放大或缩小的立体实物 | 地球仪、分子结构球棍模型、人体骨骼模型 |
| 图形模型 | 用图、表、示意图表示 | 电路图、磁感线图、地图、原子结构示意图 |
| 数学模型 | 用公式或数学关系表示 | 、、 |
| 文字模型 | 用文字描述规律或过程 | 光合作用的文字表达式、生态系统能量流动描述 |
- 放大：分子、原子太小，做成球棍模型放大几亿倍才能看清连接方式。
- 缩小：地球、太阳系太大，做成地球仪和太阳系模型缩小到桌面上。
- 抽象：把复杂对象简化成简单形状或线条，例如把电池画成两条长短不等的平行线，把磁场画成一条条磁感线（磁感线本身并不真实存在）。
模型的局限性
模型是简化的产物，因此必然与真实对象有差别，只能在一定范围内适用。
当新的实验事实与旧模型矛盾时，科学家就要修正甚至推翻旧模型，建立新模型。模型的更替本身就是科学进步的方式。
原子结构模型的演变就是最好的例子：从道尔顿的实心球模型，到汤姆生的枣糕模型，再到卢瑟福的核式模型，每一次都是因为新实验推翻了旧模型。这条线索我们在后面几节会详细展开。
什么是符号
符号是用简单的图形、文字或字母来表示事物的一种方式。
三大作用：①简单明了地表示事物；②避免因表达不同（各地语言、名称不同）而引起的混乱；③便于书写、记录和国际交流。
举几组你已经熟悉的符号：
- 物理量与单位：（质量）、（体积）、、、、
- 电路元件：电池、开关、电阻、灯泡、电流表的规定画法
- 化学： 表示氧元素， 表示水， 表示氢氧化钙
- 公共标志：地铁站的禁烟标志、垃圾分类图标、交通标志
符号的关键在于统一约定。氧元素在中文里叫「氧」、英文里叫 oxygen、日文又是另一种写法，但符号 全世界通用，这就避免了混乱。
实验与探究
某科技小组做了一个「简易净水器」：一个透明塑料瓶倒置，自上而下依次装入纱布、活性炭、细沙、粗沙、小石子，脏水从上倒入、清水从下流出。请为它建立模型并设计符号。
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第一步：明确建模目的，依据是模型要保留我们关心的特征、舍弃不关心的细节。这里我们关心的是各层滤料的顺序和作用，不关心瓶子的品牌、颜色、具体尺寸。第二步：选择模型类型。要向同学说明工作过程，用图形模型最合适——画一个竖直长方形代表瓶身，内部用五条横向分区自上而下标注纱布、活性炭、细沙、粗沙、小石子，上下各画一个箭头表示水流方向。第三步：也可以补充文字模型：脏水 → 纱布（挡大颗粒）→ 活性炭（吸附色素和异味）→ 细沙、粗沙、小石子（逐级过滤）→ 较清的水。
第四步：设计符号。约定用不同的填充图案代表不同滤料（如斜线表示活性炭、点状表示细沙），并在图旁列出图例——这一步至关重要，符号必须有统一约定别人才能读懂。第五步：说明模型的局限。这个图形模型不能反映过滤速度、也不能反映活性炭吸附能力会逐渐饱和；若要研究这些，就得另建数学模型或改用实物装置实测。答：用带图例的分层剖面图作图形模型，配文字流程说明；模型只反映滤料顺序与作用，不反映速度与饱和过程。
经典例题
下列各项分别属于哪种模型？它们各自「放大」「缩小」还是「抽象」了研究对象？①水分子的球棍模型；②杭州市地铁线路图；③公式 ；④磁体周围的磁感线图；⑤太阳系行星运行示意图。
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第一步：回忆分类标准，依据模型分为实物、图形、数学、文字四类，以及建模的三种变形方式（放大、缩小、抽象）。第二步：逐项判断。①球棍模型是立体实物，属实物模型；分子直径约十亿分之一米，模型把它放大了几亿倍。②地铁线路图是图形模型；它既缩小了真实距离，又抽象掉了实际弯曲走向（图上都是直线和折线）。③公式属数学模型，用数量关系抽象表示密度、质量、体积三者的联系。
第三步：④磁感线图属图形模型，是纯粹的抽象——磁感线是人为画出来帮助描述磁场的曲线，客观上并不存在。⑤示意图属图形模型，把太阳系的尺度大幅缩小，同时抽象掉了轨道的椭圆细节。第四步：答：①实物模型（放大）；②图形模型（缩小加抽象）；③数学模型（抽象）；④图形模型（抽象，且磁感线不真实存在）；⑤图形模型（缩小加抽象）。答题要点：凡问「模型的作用」，标准答法是把无法直接观察的对象变得可观察、可描述、可计算。
难点与易错点
- 把模型当成研究对象本身：模型是简化的替代物，与真实对象总有差别，不能说「原子就是这样一个小球」。
- 认为磁感线、光线真实存在：它们都是为描述方便而人为引入的模型，是抽象出来的，客观上不存在。
- 只把立体实物叫模型：公式、图表、示意图、文字描述都是模型，数学模型尤其容易被漏掉。
- 认为模型一定是缩小的：分子、原子模型是放大的；只有地球、太阳系这类大对象才需要缩小。
- 认为模型一旦建立就永远正确：新的实验事实可以推翻旧模型，原子结构模型的多次演变就是明证。
- 混淆模型与符号：模型是替代物（有结构、能反映关系），符号是表示方式（简洁的代号）。 是符号，水分子的球棍结构是模型。
- 自造符号不加图例：符号的生命在于统一约定，答题时自定义符号必须写出图例说明。
生活中的应用
- 杭州地铁线路图：把上百公里的真实线路抽象成彩色直线与圆点，颜色代表线路、圆点代表车站、双圈代表换乘站——一张典型的图形模型加符号系统。
- 亚运场馆的疏散指示标志：绿色小人加箭头，不识字、不懂中文的观众也能立刻看懂，这正是符号「避免语言混乱」的价值。
- 气象台的天气预报图：用云、雨滴、太阳等符号加数字，把复杂的大气状态压缩成一眼可读的图形模型。
- 中医的经络图与建筑的施工图：前者是抽象化的人体模型，后者用统一的建筑符号让工人准确施工。
生活应用题 1 · 为西湖设计一份游览符号图
某班要为外国游客制作一张西湖简明游览图。①这张图属于哪种模型？②与实景照片相比，它的优势和局限各是什么？③如果要在图上标出「租借船只处」「无障碍通道」「饮用水点」，应该怎么处理？
分步解：
- 判断模型类型，依据用图形表示研究对象的属于图形模型：它是把西湖真实地貌缩小并抽象后得到的图形模型。
- 分析优势：照片保留了大量无关细节（树木、人群、光线），而游览图只保留游客关心的信息（湖岸轮廓、景点位置、道路走向），因此更简单明了、便于查找路线。
- 分析局限：它舍弃了真实景观的形态、色彩、高低起伏，也不能反映实际步行难度（如坡度）；比例经过调整后，图上距离不能直接换算成真实距离，除非另标比例尺。
- 处理三类信息：应设计统一的图标符号（如小船、轮椅、水杯），并在图边列出图例逐一对应。这样外国游客即使不识中文也能读懂，正体现符号「避免因语言不同引起混乱」的作用。
- 答：属图形模型；优势是突出重点、简明易读，局限是丢失细节且距离不可直接量取；三类信息用统一图标加图例表示。
生活应用题 2 · 自来水厂的流程模型
杭州某自来水厂的净水流程是：取水 → 沉淀 → 过滤 → 消毒（通入氯气）→ 送入管网。①请用文字模型和图形模型两种方式表示；②说明为什么工程师宁可用流程图而不用整个水厂的照片。
分步解：
- 写出文字模型，依据文字模型用语言描述过程与规律：钱塘江原水 → 加絮凝剂后沉淀除去泥沙 → 经滤池过滤除去细小悬浮物 → 通入氯气消毒杀灭细菌 → 加压送入城市管网。
- 画出图形模型：用五个方框自左向右排列分别代表五个环节，方框之间用箭头连接表示水流方向，在「消毒」框下方注明所加物质为氯气。
- 解释为什么用流程图，依据模型的价值在于简化和抽象：照片会把大量与净水原理无关的信息（厂房外观、设备型号、管道走向）一并呈现，反而掩盖了关键的工艺顺序；流程图只保留「环节」和「先后关系」这两个核心特征，一眼就能看出哪一步除什么。
- 补充模型的局限：流程图不能反映各环节所需时间、水的流量和加氯的用量，这些要靠数学模型和实测数据补充。
- 答：文字模型与流程框图如上；用流程图是因为它抽象掉无关细节、突出工艺顺序，但需另用数据补足定量信息。
考点
- 选择题·高频：判断给定事物属于哪种模型（实物、图形、数学、文字）
- 简答题·高频：说明模型的作用（把无法直接观察的对象变得可观察、可描述）
- 概念辨析·高频：模型与符号的区别；磁感线、光线是抽象模型而非真实存在
- 简答题：符号的三大作用，尤其「避免因表达不同引起混乱」
- 开放题：为某个装置或流程建立模型并设计符号加图例
- 科学史：原子结构模型的演变说明模型是可以被修正的
- 综合题：分析某模型的优势与局限（保留了什么、舍弃了什么）
中考真题
下列关于模型和符号的说法，正确的是（ ）A. 模型就是研究对象的缩小版 B. 磁感线是磁体周围真实存在的曲线 C. 公式 是一种模型 D. 符号可以由每个人自由规定
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逐项分析：A 错，分子、原子的模型是放大的，模型不一定缩小；B 错，磁感线是为描述磁场而人为引入的抽象模型，客观上并不存在；C 对，用数量关系表示规律的属于数学模型；D 错，符号的价值恰恰在于统一约定，自由规定会重新造成混乱。答案：C。
科学家最初认为原子是不可再分的实心球，后来发现原子内有电子，于是提出「枣糕模型」；再后来根据 粒子散射实验又提出核式结构模型。这一过程说明了什么？
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第一步：抓住变化的触发原因，依据模型是简化的替代物、只在一定范围内适用：每一次模型更替，都是因为出现了旧模型无法解释的新实验事实。第二步：说明模型与事实的关系。模型必须服从实验，一旦与事实矛盾就要修正或推翻，而不能反过来让事实迁就模型。第三步：概括科学方法上的意义。建立模型是认识微观世界的基本手段，模型的不断修正正是科学逐步逼近真相的过程。第四步：答：说明模型是人们对研究对象的简化和假设，具有局限性，会随着新实验事实的出现而不断被修正和完善；科学认识是一个逐步深入、不断发展的过程。答题提醒：这类题不要只写「说明原子可以再分」，必须落到模型会被修正这一科学方法层面。