物理思想與方法選章節(jié)1市公開課一等獎百校聯(lián)賽特等獎課件

大學物理思想方法選講第1頁緒論§1物理思想與方法概論§2物理學中邏輯與思維§3大學物理中基本方法§4大學物理與數(shù)學§5關于“大學物理思想方法選講”課程第2頁§1物理思想與方法概論物理學是研究物質(zhì)基本結構、基本運動形式、相互作用和轉化規(guī)律學科。它本身以及它與各個自然學科、工程技術部門相互作用創(chuàng)造了今天科技進步和人類文明，對當代及未來高新科技進步、相關產(chǎn)業(yè)建立和發(fā)展提供著巨大推進力。

在人類追求真理、探索未知世界過程中，物理學展現(xiàn)了一系列科學世界觀和方法論，深刻影響著人類對物質(zhì)世界基本認識、人類思維方式和社會生活，是人類文明基石。第3頁一、關于物理思想物理思想：在對物質(zhì)運動形式、內(nèi)在規(guī)律和物質(zhì)基本結構等客觀存在研究過程中，物理現(xiàn)象和規(guī)律在人意識中經(jīng)過思維活動而產(chǎn)生認識論與思想體系結果?！?物理思想與方法概論詳細內(nèi)涵:

(1)物理理論體系建立和發(fā)展中形成基本思想。(2)物理學家在探索物質(zhì)世界規(guī)律中形成思維方式、探索精神以及基本觀念。經(jīng)典物理思想有：

觀察和試驗探究思想、歸納形成物理概念和物理規(guī)律思想、科學構想與建立物理模型思想、“時空”和“守恒”思想等等。第4頁二、關于物理方法物理方法：在研究物理規(guī)律過程中形成一系列科學方法。其基本特征是：將經(jīng)驗（以試驗和觀察形式）與思維（以創(chuàng)造性構筑理論和假說形式）有機結合，相互促進，推進物理學不停發(fā)展。經(jīng)典物理方法有：§1物理思想與方法概論物理方法是物理思想詳細表現(xiàn)，是溝通思想、知識和能力橋梁。利用方法過程同時也是思維過程。觀察法、試驗法、綜正當、歸納法、類比法、分析法、假設法、抽象思維法、逆向思維法、模擬想象法、極限法、特例法、比較法、變量控制法、發(fā)散思維法、知識遷移法、數(shù)學推演法等。第5頁認識物理學思想是學好物理前提，所以，我們在學習物理過程中，一直要領會物理學思想，并能逐步轉化為自己思想。在此基礎上，掌握科學方法，提升分析和處理物理問題能力是根本目標。我們在學習物理課程同時，不但要學習物理概念、物理規(guī)律，而且要學習研究物理問題方法，努力汲取物理學精華。掌握物理思想和研究方法，對學習好物理含有重大意義?！?物理思想與方法概論第6頁“科學是一個方法。它教誨我們：一些事物是怎樣被了解，什么事情是已知，現(xiàn)在了解到了什么程度，怎樣對待疑問和不確定性，證據(jù)服從什么法則；如何思索事物，做出判斷，怎樣區(qū)分真?zhèn)魏捅砻娆F(xiàn)象”?！猂.P費曼“我從不迷信權威，但命運捉弄了我——我自己變成了權威”——A.愛因斯坦希望兩位著名物理學家話，能成為大家學習物理座右銘。學習課程除了掌握基本知識外，更主要是學習一個科學思維方法。正如一個古老故事所講那樣，學生從老師那里得到，應該是一個點石成金法則

，而不是一堆金子。第7頁一、綜合歸納§2物理學中邏輯與思維物理學理論建立與發(fā)展、修正與演變所包括詳細思維模式及研究方法概括起來可分為以下幾大類：從特殊到普通邏輯思維方法將有限、特殊個別事實綜合起來研究，尋找或抽象出其中共性與規(guī)律性，再推廣至普遍情形。如：天電與地電統(tǒng)一、從開普勒定律到萬有引力定律、物理模型建立，等等。二、分析演繹從普通物理原理出發(fā)，詳細分析個別現(xiàn)象，并作出結論或預測。如：能量守恒定律與預言和發(fā)覺中微子、康普頓散射試驗驗證光粒子性，等等。從普通到特殊邏輯思維方法第8頁三、類比從特殊到特殊邏輯思維方法依據(jù)未知物理事實和已知事實間某方面相同性而推斷其它方面相同性。如庫侖定律與萬有引力定律、聲波與光波多普勒效應，等等。非邏輯思維方法在已知材料基礎上，經(jīng)過思維組合而創(chuàng)造出新想法或假說。含有邏輯跳躍性，類似于猜測或頓悟。如法拉第場線概念、普朗克能量子假說、玻爾原子結構模型，等等?！?物理學中邏輯與思維四、科學想象所謂科學想象，是指不論新想法有多奇妙或聽上去多么合理，都必須接收可重復試驗驗證，不然就不能接收。如：磁荷假說至今未獲證實。第9頁五、自然友好法則物理學普遍指導思想物理學家認為：自然規(guī)律是能夠認識和把握，而且最基本自然規(guī)律應含有統(tǒng)一性、對稱性、簡單性等優(yōu)美友好屬性。比如：麥克斯韋電磁理論建立、相對論基本假設、大統(tǒng)一理論等愛因斯坦說過：一切科學偉大目標，就是要從盡可能少假說或公理出發(fā)，經(jīng)過邏輯演繹，概括盡可能多經(jīng)驗事實。邏輯上簡單東西當然不一定就是物理上真實東西，但物理上真實東西一定是邏輯上簡單東西，它們在基礎上含有統(tǒng)一性?！?物理學中邏輯與思維第10頁注意：歸納、演繹、類比、想象（方法論范圍）最終總要服從和歸結于自然友好法則（世界觀范圍），后者是物理學家基本追求和最高理想。不一樣邏輯或思維方法之間往往經(jīng)常相互交叉、彼此滲透，不要做機械式套用。同學們應該在物理學習過程中、經(jīng)過了解和掌握詳細物理理論及其產(chǎn)生和發(fā)展過程來體會上述思想是怎樣詳細表達。提議有興趣同學閱讀一些物理學史方面書籍或材料?！?物理學中邏輯與思維第11頁一、動力學分析法物理學詳細包含力學、電磁學、光學、熱學、相對論、量子物理等內(nèi)容，分別從不一樣側面揭示物質(zhì)基本屬性和運動規(guī)律，不過存在著一些幾乎適合用于全部分支理論、普遍成立基本原理或規(guī)則，它們對于研究和處理物理問題含有主要指導價值。下面介紹大學物理教學中可表達出一些最主要原理和方法。在深入、精細地分析物質(zhì)系統(tǒng)各部分性質(zhì)和相互關系基礎上，應用適合用于這類物理問題物理定律、定理和數(shù)學工具，對所關心物理量建立關系方程并定量求解，從而得到該物理量時空分布全部信息?！@是應用物理理論研究處理問題基本方法。詳細如：“隔離體”法、微積分法等?！?大學物理中基本方法第12頁二、疊加法很多物理量都服從疊加原理（如運動疊加、力疊加、電磁場疊加、電勢疊加、波函數(shù)疊加等），能夠應用此原理將復雜問題分解為若干簡單問題，先分別找出它們各自所滿足規(guī)律與關系，然后再經(jīng)過疊加方法得到原來較復雜問題所應滿足規(guī)律與關系，進而得到解答。注意應用疊加法基本思緒是：先分解，再疊加。疊加法經(jīng)常要與動力學方法結合起來應用?！?大學物理中基本方法在應用前，首先必須先確定疊加原理是否成立。比如：聲波傳輸普通滿足疊加原理，但當聲強非常大（爆炸聲、沖擊波）時疊加原理就不成立了。第13頁三、守恒量分析法在各種物理系統(tǒng)和物質(zhì)運動形式中存在著一些含有普適性且服從守恒定律物理量（如能量、動量、角動量等），它們分別與詳細物理系統(tǒng)中相關物理量（如質(zhì)量、速度、場強、振幅等）有直接關系。經(jīng)過整體把握系統(tǒng)性質(zhì)、分析守恒條件，應用相關普適物理量所服從守恒定律建立關系式，有利于抓住了問題某種本質(zhì)，且會極大地降低工作量、提升解答問題準確性。§3大學物理中基本方法說明：理論上說，上述守恒量在整個宇宙系統(tǒng)范圍內(nèi)總是守恒，但詳細到我們研究有限系統(tǒng)，則不一定，要看管恒條件是否滿足。若不滿足，可詳細分析造成其改變動力學原因，并列出二者關系式，做出解答。第14頁四、對稱性分析法對稱性是物理學自然友好法則一個主要而深刻表達。常見對稱性：對稱性定義：將某個系統(tǒng)經(jīng)過某種操作從一個狀態(tài)變成另一個狀態(tài)（又稱為：變換），假如與原狀態(tài)相比是完全相同或等價，則稱此系統(tǒng)對該變換是對稱，而對應變換叫做此系統(tǒng)“對稱變換”。（魏爾定義）鏡像、轉動、平移、標度（尺度縮放）、置換、時間平移與反演、……對稱性原理：物理原因中對稱性必反應全部表達于物理結果中，而結果中不對稱性亦必在原因中全部得以反應。(因果關系判斷)§3大學物理中基本方法第15頁兩點說明：以上四種基本方法實際上是物理規(guī)律在不一樣層次上表達。在詳細分析和解答物理問題時，以上方法應依據(jù)問題特征，綜合、靈活地利用，以收到事半功倍效果。動力學與疊加原理：側重微觀上分析演繹，所包括物理規(guī)律普通僅適合用于詳細問題所覆蓋領域。守恒量：側重宏觀上綜合歸納，所包括物理量含有廣泛適用性，對應守恒定律含有普適性。對稱性：含有最大普適性，往往揭示出愈加深刻物理本質(zhì)與時空特征。§3大學物理中基本方法第16頁一、兩點要求§4大學物理與數(shù)學假如把物理學所揭示物質(zhì)世界比喻成一本大書話，那么這本大書一定是用數(shù)學語言寫成。怎樣把學到數(shù)學知識和技巧恰當?shù)乩玫轿锢韺W習、研究中，對很多大學生是一個難題。1、學會用數(shù)學語言描述和表示物理含義。2、知道從數(shù)學表示性式中看出其物理意義。物理數(shù)學翻譯解釋在此強調(diào)：數(shù)學符號、表示式、方程等一定要嚴格按規(guī)范要求書寫，并與其物理含義相一致。這是科學訓練一項基本功。但物理意義是根本！第17頁二、大學物理中最主要兩個數(shù)學工具矢量微積分許多物理量和物理定律表述和應用都必須借助于矢量和微積分語言，同學們應在中學數(shù)學基礎上，有意識地練習用這兩個數(shù)學工具來表述、推導、計算、分析和解答物理問題，使自己數(shù)理理論功底提升到更高水平。矢量微積分§4大學物理與數(shù)學第18頁一、教學目二、課程性質(zhì)較為系統(tǒng)地總結和歸納大學物理課程及其教學要求中所包括分析和處理物理問題基本思想和基本方法，并經(jīng)過必要歸納總結、拓展引導、習題討論和練習，幫助學生在基礎物理層次上更加好地掌握物理學研究物質(zhì)運動規(guī)律所包括最基本、最關鍵思想、觀點和方法，為學生打下堅實物理基礎、提升科學素養(yǎng)發(fā)揮良好作用。§5關于“大學物理思想方法選講”課程與“大學物理”課程相配合，同時開設選修課程，共32課時（2學分），分兩學期開設。第19頁三、教學要求課堂考勤：教師抽查，出勤課時不低于本學期總課時3/4，方有資格取得成績。大作業(yè)：每學期布置2-3次大作業(yè)，須全部按要求完成，不然無成績。成績評定：綜合前兩項及期末考查結果綜合做出。答疑安排：每七天四晚20：30-22：30在三教304?！?關于“大學物理思想方法選講”課程做好筆記，及時復習，適當練習。第20頁《大學物理學》(第二版）（清華大學出版社，共五冊），張三慧主編《大學物了解題方法》（機械工業(yè)出版社，共二冊），鐘壽仙等主編《物理學思想方法研究》（浙江大學出版社），向紅專著《定性與半定量物理學》（高等教育出版社），趙凱華編著《基礎物理中數(shù)學方法》（北京大學出版社），王楚等主編《大學物理經(jīng)典題解題思緒與技巧》（西安交大出版社），王小力編參考書第21頁——矢量性、瞬時性、相對性1、位置矢量、速度、加速度定義及其基本性質(zhì)第1章質(zhì)點運動學——內(nèi)容提要與基本要求3、運動學兩類基本問題處理方法4、切向加速度與法向加