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?wù)n件

大學(xué)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(xué)中邏輯與思維§3大學(xué)物理中基本方法§4大學(xué)物理與數(shù)學(xué)§5關(guān)于“大學(xué)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(xué)是研究物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)、基本運(yùn)動形式、相互作用和轉(zhuǎn)化規(guī)律學(xué)科。它本身以及它與各個(gè)自然學(xué)科、工程技術(shù)部門相互作用創(chuàng)造了今天科技進(jìn)步和人類文明，對當(dāng)代及未來高新科技進(jìn)步、相關(guān)產(chǎn)業(yè)建立和發(fā)展提供著巨大推進(jìn)力。

在人類追求真理、探索未知世界過程中，物理學(xué)展現(xiàn)了一系列科學(xué)世界觀和方法論，深刻影響著人類對物質(zhì)世界基本認(rèn)識、人類思維方式和社會生活，是人類文明基石。第3頁一、關(guān)于物理思想物理思想：在對物質(zhì)運(yùn)動形式、內(nèi)在規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)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(rèn)識論與思想體系結(jié)果?！?物理思想與方法概論詳細(xì)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(xué)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(yàn)探究思想、歸納形成物理概念和物理規(guī)律思想、科學(xué)構(gòu)想與建立物理模型思想、“時(shí)空”和“守恒”思想等等。第4頁二、關(guān)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(xué)方法。其基本特征是：將經(jīng)驗(yàn)（以試驗(yàn)和觀察形式）與思維（以創(chuàng)造性構(gòu)筑理論和假說形式）有機(jī)結(jié)合，相互促進(jìn)，推進(jìn)物理學(xué)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(xì)表現(xiàn)，是溝通思想、知識和能力橋梁。利用方法過程同時(shí)也是思維過程。觀察法、試驗(yàn)法、綜正當(dāng)、歸納法、類比法、分析法、假設(shè)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(xué)推演法等。第5頁認(rèn)識物理學(xué)思想是學(xué)好物理前提，所以，我們在學(xué)習(xí)物理過程中，一直要領(lǐng)會物理學(xué)思想，并能逐步轉(zhuǎn)化為自己思想。在此基礎(chǔ)上，掌握科學(xué)方法，提升分析和處理物理問題能力是根本目標(biāo)。我們在學(xué)習(xí)物理課程同時(shí)，不但要學(xué)習(xí)物理概念、物理規(guī)律，而且要學(xué)習(xí)研究物理問題方法，努力汲取物理學(xué)精華。掌握物理思想和研究方法，對學(xué)習(xí)好物理含有重大意義?！?物理思想與方法概論第6頁“科學(xué)是一個(gè)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”。——R.P費(fèi)曼“我從不迷信權(quán)威，但命運(yùn)捉弄了我——我自己變成了權(quán)威”——A.愛因斯坦希望兩位著名物理學(xué)家話，能成為大家學(xué)習(xí)物理座右銘。學(xué)習(xí)課程除了掌握基本知識外，更主要是學(xué)習(xí)一個(gè)科學(xué)思維方法。正如一個(gè)古老故事所講那樣，學(xué)生從老師那里得到，應(yīng)該是一個(gè)點(diǎn)石成金法則

，而不是一堆金子。第7頁一、綜合歸納§2物理學(xué)中邏輯與思維物理學(xué)理論建立與發(fā)展、修正與演變所包括詳細(xì)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(gè)別事實(shí)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(xì)分析個(gè)別現(xiàn)象，并作出結(jié)論或預(yù)測。如：能量守恒定律與預(yù)言和發(fā)覺中微子、康普頓散射試驗(yàn)驗(yàn)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(shí)和已知事實(shí)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(yīng)，等等。非邏輯思維方法在已知材料基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)模型，等等。§2物理學(xué)中邏輯與思維四、科學(xué)想象所謂科學(xué)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(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，不然就不能接收。如：磁荷假說至今未獲證實(shí)。第9頁五、自然友好法則物理學(xué)普遍指導(dǎo)思想物理學(xué)家認(rèn)為：自然規(guī)律是能夠認(rèn)識和把握，而且最基本自然規(guī)律應(yīng)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(shè)、大統(tǒng)一理論等愛因斯坦說過：一切科學(xué)偉大目標(biāo)，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(yàn)事實(shí)。邏輯上簡單東西當(dāng)然不一定就是物理上真實(shí)東西，但物理上真實(shí)東西一定是邏輯上簡單東西，它們在基礎(chǔ)上含有統(tǒng)一性?！?物理學(xué)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(jié)于自然友好法則（世界觀范圍），后者是物理學(xué)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(jī)械式套用。同學(xué)們應(yīng)該在物理學(xué)習(xí)過程中、經(jīng)過了解和掌握詳細(xì)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(xì)表達(dá)。提議有興趣同學(xué)閱讀一些物理學(xué)史方面書籍或材料?！?物理學(xué)中邏輯與思維第11頁一、動力學(xué)分析法物理學(xué)詳細(xì)包含力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、相對論、量子物理等內(nèi)容，分別從不一樣側(cè)面揭示物質(zhì)基本屬性和運(yùn)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(dǎo)價(jià)值。下面介紹大學(xué)物理教學(xué)中可表達(dá)出一些最主要原理和方法。在深入、精細(xì)地分析物質(zhì)系統(tǒng)各部分性質(zhì)和相互關(guān)系基礎(chǔ)上，應(yīng)用適合用于這類物理問題物理定律、定理和數(shù)學(xué)工具，對所關(guān)心物理量建立關(guān)系方程并定量求解，從而得到該物理量時(shí)空分布全部信息?！@是應(yīng)用物理理論研究處理問題基本方法。詳細(xì)如：“隔離體”法、微積分法等。§3大學(xué)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(yùn)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(yīng)用此原理將復(fù)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(guān)系，然后再經(jīng)過疊加方法得到原來較復(fù)雜問題所應(yīng)滿足規(guī)律與關(guān)系，進(jìn)而得到解答。注意應(yīng)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(xué)方法結(jié)合起來應(yīng)用?！?大學(xué)物理中基本方法在應(yīng)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(dāng)聲強(qiáng)非常大（爆炸聲、沖擊波）時(shí)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(yùn)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(xì)物理系統(tǒng)中相關(guān)物理量（如質(zhì)量、速度、場強(qiáng)、振幅等）有直接關(guān)系。經(jīng)過整體把握系統(tǒng)性質(zhì)、分析守恒條件，應(yīng)用相關(guān)普適物理量所服從守恒定律建立關(guān)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(zhǔn)確性?！?大學(xué)物理中基本方法說明：理論上說，上述守恒量在整個(gè)宇宙系統(tǒng)范圍內(nèi)總是守恒，但詳細(xì)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(xì)分析造成其改變動力學(xué)原因，并列出二者關(guān)系式，做出解答。第14頁四、對稱性分析法對稱性是物理學(xué)自然友好法則一個(gè)主要而深刻表達(dá)。常見對稱性：對稱性定義：將某個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過某種操作從一個(gè)狀態(tài)變成另一個(gè)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(jià)，則稱此系統(tǒng)對該變換是對稱，而對應(yīng)變換叫做此系統(tǒng)“對稱變換”。（魏爾定義）鏡像、轉(zhuǎn)動、平移、標(biāo)度（尺度縮放）、置換、時(shí)間平移與反演、……對稱性原理：物理原因中對稱性必反應(yīng)全部表達(dá)于物理結(jié)果中，而結(jié)果中不對稱性亦必在原因中全部得以反應(yīng)。(因果關(guān)系判斷)§3大學(xué)物理中基本方法第15頁兩點(diǎn)說明：以上四種基本方法實(shí)際上是物理規(guī)律在不一樣層次上表達(dá)。在詳細(xì)分析和解答物理問題時(shí)，以上方法應(yīng)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(xué)與疊加原理：側(cè)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(xì)問題所覆蓋領(lǐng)域。守恒量：側(cè)重宏觀上綜合歸納，所包括物理量含有廣泛適用性，對應(yīng)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(shí)空特征?！?大學(xué)物理中基本方法第16頁一、兩點(diǎn)要求§4大學(xué)物理與數(shù)學(xué)假如把物理學(xué)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(xué)語言寫成。怎樣把學(xué)到數(shù)學(xué)知識和技巧恰當(dāng)?shù)乩玫轿锢韺W(xué)習(xí)、研究中，對很多大學(xué)生是一個(gè)難題。1、學(xué)會用數(shù)學(xué)語言描述和表示物理含義。2、知道從數(shù)學(xué)表示性式中看出其物理意義。物理數(shù)學(xué)翻譯解釋在此強(qiáng)調(diào)：數(shù)學(xué)符號、表示式、方程等一定要嚴(yán)格按規(guī)范要求書寫，并與其物理含義相一致。這是科學(xué)訓(xùn)練一項(xiàng)基本功。但物理意義是根本！第17頁二、大學(xué)物理中最主要兩個(gè)數(shù)學(xué)工具矢量微積分許多物理量和物理定律表述和應(yīng)用都必須借助于矢量和微積分語言，同學(xué)們應(yīng)在中學(xué)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上，有意識地練習(xí)用這兩個(gè)數(shù)學(xué)工具來表述、推導(dǎo)、計(jì)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(xué)物理與數(shù)學(xué)第18頁一、教學(xué)目二、課程性質(zhì)較為系統(tǒng)地總結(jié)和歸納大學(xué)物理課程及其教學(xué)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?dú)w納總結(jié)、拓展引導(dǎo)、習(xí)題討論和練習(xí)，幫助學(xué)生在基礎(chǔ)物理層次上更加好地掌握物理學(xué)研究物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律所包括最基本、最關(guān)鍵思想、觀點(diǎn)和方法，為學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)物理基礎(chǔ)、提升科學(xué)素養(yǎng)發(fā)揮良好作用?！?關(guān)于“大學(xué)物理思想方法選講”課程與“大學(xué)物理”課程相配合，同時(shí)開設(shè)選修課程，共32課時(shí)（2學(xué)分），分兩學(xué)期開設(shè)。第19頁三、教學(xué)要求課堂考勤：教師抽查，出勤課時(shí)不低于本學(xué)期總課時(shí)3/4，方有資格取得成績。大作業(yè)：每學(xué)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(xiàng)及期末考查結(jié)果綜合做出。答疑安排：每七天四晚20：30-22：30在三教304?！?關(guān)于“大學(xué)物理思想方法選講”課程做好筆記，及時(shí)復(fù)習(xí)，適當(dāng)練習(xí)。第20頁《大學(xué)物理學(xué)》(第二版）（清華大學(xué)出版社，共五冊），張三慧主編《大學(xué)物了解題方法》（機(jī)械工業(yè)出版社，共二冊），鐘壽仙等主編《物理學(xué)思想方法研究》（浙江大學(xué)出版社），向紅專著《定性與半定量物理學(xué)》（高等教育出版社），趙凱華編著《基礎(chǔ)物理中數(shù)學(xué)方法》（北京大學(xué)出版社），王楚等主編《大學(xué)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(shí)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(diǎn)運(yùn)動學(xué)——內(nèi)容提要與基本要求3、運(yùn)動學(xué)兩類基本問題處理方法4、切向加速度與法向加