數(shù)學(xué)在物理中的應(yīng)用

1、    數(shù)學(xué)在物理中的應(yīng)用    王紅敏摘 要 數(shù)學(xué)是物理學(xué)研究的工具，教學(xué)中注重培養(yǎng)學(xué)生用數(shù)學(xué)知識(shí)和數(shù)學(xué)方法解決物理問題的能力。關(guān) 鍵 詞 數(shù)學(xué)作用；培養(yǎng)能力；數(shù)學(xué)物理方法 g712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 a 2096-0603（2018）04-0078-01物理學(xué)作為一門自然科學(xué)，它是由一些基本概念、基本規(guī)律和理論組成的體系嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹⒕芏康目茖W(xué)。作為一門精密定量的學(xué)科，它的一些基本定律與公式，正是物理量之間函數(shù)關(guān)系在一定條件下的規(guī)律反映，這說明物理和數(shù)學(xué)關(guān)系極為密切，物理學(xué)的發(fā)展離不開數(shù)學(xué)，數(shù)學(xué)是研究物理學(xué)的重要工具，實(shí)驗(yàn)測(cè)量和計(jì)算，物理概念和規(guī)律的表達(dá)，都

2、離不開數(shù)學(xué)的應(yīng)用。一、數(shù)學(xué)對(duì)物理學(xué)研究的作用數(shù)學(xué)作為研究物理學(xué)的重要工具和方法，其主要作用有：（1）用簡(jiǎn)潔、精確的表達(dá)方式描述物理概念和規(guī)律。數(shù)學(xué)所具有的高度概括的特征，為描述具有深刻內(nèi)涵的物理概念和規(guī)律提供了最佳表達(dá)方式，物理學(xué)許多概念和規(guī)律都是用數(shù)學(xué)符號(hào)和公式來(lái)表達(dá)的，物理問題的表達(dá)、推理計(jì)算運(yùn)用簡(jiǎn)潔、精確的數(shù)學(xué)語(yǔ)言，大大簡(jiǎn)化和加速了人們的思維進(jìn)程。（2）為分析和解決物理問題提供了計(jì)算工具。隨著物理知識(shí)的增加，物理問題的研究逐漸由定性轉(zhuǎn)向定量研究，所以數(shù)學(xué)知識(shí)在物理概念、規(guī)律以及一些問題的研究中數(shù)量急劇增加，用數(shù)學(xué)方法解決物理問題越來(lái)越多。例如，牛頓就憑借他超凡的數(shù)學(xué)能力用數(shù)學(xué)知識(shí)證明了天

3、體運(yùn)動(dòng)的軌跡是橢圓的等。（3）提供了科學(xué)抽象的手段，促進(jìn)了物理規(guī)律和理論的建立。數(shù)學(xué)方法是推理、論證的有效工具和抽象手段，在物理實(shí)驗(yàn)中得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行推導(dǎo)證明，歸納總結(jié)出物理規(guī)律。在物理概念和物理理論建立過程中，離不開數(shù)學(xué)方法和數(shù)學(xué)思想，學(xué)生在分析和解決物理問題時(shí)更離不開數(shù)學(xué)知識(shí)。二、如何培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)解決物理問題的能力（一）培養(yǎng)學(xué)生用數(shù)學(xué)符號(hào)表示物理概念和規(guī)律的能力物理學(xué)的許多概念和規(guī)律都要用數(shù)學(xué)符號(hào)（如圖形、圖像）和公式來(lái)表示。例如，一些物理量通常采用比值定義法，就是用兩個(gè)基本物理量比來(lái)定義一個(gè)新的物理量，這種方法在物理學(xué)概念定義中占有相當(dāng)大的比例，=，r=，e=等都采用了

4、比值定義法；再如，用公式f=ma和f=-f分別表示牛頓第二定律和牛頓第三定律，這樣既簡(jiǎn)潔又準(zhǔn)確地表達(dá)了牛頓運(yùn)動(dòng)定律的內(nèi)容；用s-t圖像、v-t圖像來(lái)描述物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，便于分析和解決有關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)問題等。（二）培養(yǎng)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)知識(shí)建立物理公式的能力物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，許多定律都是對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量計(jì)算，抽象和歸納出來(lái)的，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，數(shù)學(xué)運(yùn)用是必不可少的。例如，牛頓第二定律就是一個(gè)實(shí)驗(yàn)定律，在得出物體的加速度跟作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比這個(gè)結(jié)論后，用數(shù)學(xué)推理得出了牛頓第二定律公式。在教學(xué)過程中，培養(yǎng)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，通過分析，用數(shù)學(xué)工具歸納出物理公式，不僅可以加深對(duì)公式的

5、理解，還能靈活運(yùn)用公式解決物理問題，有助于學(xué)生在以后科技工作中打好基礎(chǔ)。（三）培養(yǎng)學(xué)生用數(shù)學(xué)方法對(duì)物理問題進(jìn)行分析、計(jì)算的能力數(shù)學(xué)作為物理學(xué)研究的工具，我們?cè)趹?yīng)用時(shí)要分析物理過程，明確公式的物理意義和它的適用范圍，選取適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法進(jìn)行分析、計(jì)算，達(dá)到解決物理問題的目的。例如，在研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的加速度時(shí)，我們結(jié)合v-t圖像，用斜率和導(dǎo)數(shù)知識(shí)來(lái)理解加速度的概念，并用于解決有關(guān)加速度的問題，類似的物理量速率、功率、磁通量變化率等都可以用這種方法來(lái)研究；數(shù)學(xué)向量來(lái)源于物理，物理學(xué)中許多問題，如位移、力、速度等都可以用向量來(lái)解決；還有數(shù)形結(jié)合是數(shù)學(xué)中非常重要的思想，因此圖像法也是解決物理問題慣用的

6、方法，結(jié)合圖像分析物理問題，不僅對(duì)解決問題帶來(lái)了很大的便利，而且有助于學(xué)生加深理解物理概念和規(guī)律。解決物理問題時(shí)數(shù)學(xué)方法用得得當(dāng)，給我們運(yùn)算帶來(lái)了方便的同時(shí)更利于物理問題的解決。三、運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問題的注意事項(xiàng)1.解決物理問題不能單純從數(shù)學(xué)關(guān)系上理解公式，要結(jié)合物理規(guī)律弄清公式的物理意義。例如，e=就不能單純地從數(shù)學(xué)關(guān)系說，電場(chǎng)強(qiáng)度e跟電場(chǎng)力f成正比，跟電荷量q成反比，因?yàn)殡妶?chǎng)強(qiáng)度e是反映電場(chǎng)強(qiáng)弱的物理量，e由場(chǎng)源和位置決定，與放不放試探電荷無(wú)關(guān)，該公式只是提供了計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度e的方法。2.運(yùn)用物理公式和定律解決問題，不能只是代入物理公式進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，要搞清物理公式適用的條件和范圍。例如，

7、牛頓第二定律適用的范圍是解決宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng)問題，不能用來(lái)處理接近光速的高速運(yùn)動(dòng)和微觀粒子的運(yùn)動(dòng)問題，因此涉及質(zhì)子或電子的運(yùn)動(dòng)問題，不能隨便將數(shù)據(jù)直接代入公式進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，避免產(chǎn)生物理意義上的錯(cuò)誤。3.用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問題時(shí)，不能只是簡(jiǎn)單代入公式進(jìn)行數(shù)字計(jì)算，要加上必要的文字說明，這樣才能使解決問題的物理過程思路清晰，必要時(shí)還要對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，看是否符合物理意義。四、結(jié)語(yǔ)數(shù)學(xué)是研究物理學(xué)的基本工具，不論是在物理概念和規(guī)律的表達(dá)上，還是在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量及計(jì)算上，都離不開數(shù)學(xué)知識(shí)和數(shù)學(xué)方法，但數(shù)學(xué)只是工具，在使用時(shí)必須與物理現(xiàn)象及內(nèi)容相統(tǒng)一，同時(shí)還要受到物理概念和規(guī)律的制約，因此用數(shù)學(xué)解決物理問題必須考慮物理學(xué)的特點(diǎn)