感受物理之美高中物理學(xué)習(xí)思想與方法課件

高中物理學(xué)習(xí)思想與方法2024年9月感受物理之美第一章：對(duì)稱(chēng)及其應(yīng)用

物質(zhì)世界存在某些對(duì)稱(chēng)性，如鏡像對(duì)稱(chēng)、時(shí)間對(duì)稱(chēng)、空間平移對(duì)稱(chēng)、空間旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)等，物理學(xué)理論也具有相應(yīng)的對(duì)稱(chēng)性.根據(jù)對(duì)稱(chēng)性分析、研究物理規(guī)律和現(xiàn)象,以此解決物理問(wèn)題的方法叫對(duì)稱(chēng)法。

對(duì)稱(chēng)性普遍存在于各種物理現(xiàn)象和物理規(guī)律中，例如，做簡(jiǎn)諧振動(dòng)的物體在平衡位置兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)對(duì)平衡位置是對(duì)稱(chēng)的，豎直上拋運(yùn)動(dòng)的上升階段和下降階段對(duì)最高點(diǎn)是對(duì)稱(chēng)的，兩點(diǎn)電荷間的電場(chǎng)線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，兩相對(duì)磁極間的磁感線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，又如某些電路結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性、平面鏡成像的對(duì)稱(chēng)性，等等。感受對(duì)稱(chēng)之美圖1-1-4圖1-1-6第二節(jié)：對(duì)稱(chēng)在物理學(xué)發(fā)展史中作用2.1電磁學(xué)的發(fā)展史（1）奧斯特發(fā)現(xiàn)電生磁

早在1750年著名物理學(xué)家富蘭克林就已經(jīng)觀察到萊頓瓶放電可使鋼針磁化。一直到19世紀(jì)初,科學(xué)界仍然普遍認(rèn)為電和磁是兩種獨(dú)立的作用。與這種觀念相反,丹麥的自然哲學(xué)家?jiàn)W斯特接受了德國(guó)哲學(xué)家康德和謝林關(guān)于自然和力統(tǒng)一的哲學(xué)思想后，堅(jiān)信電與磁之間一定有著某種聯(lián)系。經(jīng)過(guò)多年研究,他終于在1820年發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng):當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)時(shí)，引起導(dǎo)線(xiàn)近旁的小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)開(kāi)拓了電與磁研究的新紀(jì)元。（2）法拉第發(fā)現(xiàn)磁生電

英國(guó)物理學(xué)家法拉第敏銳地察覺(jué)出了奧斯特發(fā)現(xiàn)的重要意義，他評(píng)價(jià)道:“它猛然打開(kāi)了一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的大門(mén)，那里過(guò)去是一片漆黑，如今充滿(mǎn)了光明.”奧斯特的實(shí)驗(yàn)誘發(fā)了法拉第一連串的思考:“電生磁這一現(xiàn)象的逆效應(yīng)是否存在?能不能用磁體在導(dǎo)線(xiàn)中產(chǎn)生電流呢?既然磁鐵可以使近旁的鐵塊感應(yīng)出磁,靜電荷可以使近旁的導(dǎo)體感應(yīng)出電荷？那么電流是否也可以使放在近旁的線(xiàn)圈感應(yīng)出電流?”在法拉第1822年的日記里,他記下了一個(gè)大膽設(shè)想:“由電產(chǎn)生磁、由磁一定能產(chǎn)生電”。

從此，他就開(kāi)始了堅(jiān)持不懈的艱苦探索。開(kāi)始時(shí),法拉第簡(jiǎn)單地認(rèn)為用強(qiáng)磁鐵靠近導(dǎo)線(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)中就會(huì)產(chǎn)生電流，或者在一根導(dǎo)線(xiàn)里通以強(qiáng)大的電流，在鄰近的另一根導(dǎo)線(xiàn)中也會(huì)產(chǎn)生電流。在接下來(lái)的10年的時(shí)間里，他做了大量的實(shí)驗(yàn),均以毫無(wú)結(jié)果而宣告失敗。

在1831年，法拉第把兩個(gè)線(xiàn)圈繞在一個(gè)鐵環(huán)上(圖1-2-2)，一個(gè)線(xiàn)圈接電源，另一個(gè)線(xiàn)圈接“電流表”。當(dāng)給一個(gè)線(xiàn)圈通電或斷電的瞬間，在另一個(gè)線(xiàn)圈上出現(xiàn)了電流。他在1831年8月29日的日記中寫(xiě)下了首次成功的記錄。法拉第從這個(gè)實(shí)驗(yàn)中領(lǐng)悟到，“磁生電”是一種在變化、運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中才能出現(xiàn)的效應(yīng)。于是，他又設(shè)計(jì)并動(dòng)手做了幾十個(gè)實(shí)驗(yàn)，使深藏不露的各種“磁生電”的現(xiàn)象顯現(xiàn)而出。尋找磁單極子1931年，英國(guó)物理學(xué)家狄拉克從理論上預(yù)言存在著只有一個(gè)磁極的粒子──磁單極子。根據(jù)磁單極子的理論，電和磁之間的對(duì)稱(chēng)性將更加完美。這一動(dòng)人的前景，吸引了一批又一批的物理學(xué)家，用各種方法，各種途徑去尋找磁單極子。但是在巖石中，在宇宙射線(xiàn)（即從宇宙空間飛來(lái)的粒子）中，以及在加速器實(shí)驗(yàn)中竇沒(méi)有找到磁單極子。也有人推測(cè)，磁單極子也可能是在宇宙形成初期產(chǎn)生的，殘存下來(lái)的比較少，而且分散在廣袤的宇宙之中，要找到它并不容易。對(duì)稱(chēng)高中物理中的應(yīng)用如圖，P是一塊均勻的半圓形薄合金片。先將它按圖1-4-4的方式接在電極A、B之間，測(cè)出它的電阻為R。再將它按圖1-4-5的方式接在電極C、D之間，試求此時(shí)P的電阻。第二章：等效思想

等效思想是研究和解決物理學(xué)問(wèn)題的一種很重要的思想,其實(shí)質(zhì)是在效果相同的情況下,將較為復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題變換為相對(duì)簡(jiǎn)單的熟悉問(wèn)題，以便突出主要因素，抓住問(wèn)題本質(zhì)，找出其中規(guī)律.在應(yīng)用等效法時(shí)，往往是用較簡(jiǎn)單的因索替代較復(fù)雜的因素，以使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化而便于求解。

如力學(xué)中合力和分力的等效替代，運(yùn)動(dòng)學(xué)中合運(yùn)動(dòng)和分運(yùn)動(dòng)的等效替代，電學(xué)中的等效電阻、等效電容、等效電池等效電路，以及等效物理模型、等效物理過(guò)程等等。1.古人對(duì)等效的認(rèn)知2.等效轉(zhuǎn)換法求變力做功

第三章：轉(zhuǎn)換思想

由于一些看不見(jiàn)，摸不著的物質(zhì)或物理問(wèn)題，我們往往拋開(kāi)事物本身，通過(guò)研究它們?cè)谧匀唤缰斜憩F(xiàn)出來(lái)的外顯特性、現(xiàn)象或產(chǎn)生的效果等間接地去認(rèn)識(shí)事物的方法，通過(guò)對(duì)物理過(guò)程、物理狀態(tài)間接研究達(dá)到化繁為簡(jiǎn)，化難為易,間接獲取問(wèn)題解決的一種解決方法。

在物理問(wèn)題中，往往遇到一些用常規(guī)方法難以解決的問(wèn)題，如研究對(duì)象難以確定或研究對(duì)象不是理想模型(如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷等)，再如問(wèn)題中所涉及的物理量是非線(xiàn)性變化量，無(wú)法用初等數(shù)學(xué)進(jìn)行計(jì)算等情況。這時(shí)可以采取“微元化恒”，即將所研究的對(duì)象或者所涉及的物理過(guò)程，分割成許多微小的單元，從而將非理想物理模型變成理想物理模型；將曲面變成平面；將曲線(xiàn)變成直線(xiàn)；將非線(xiàn)性變量變成線(xiàn)性變量,甚至常量。然后選擇微小的單元，利用常規(guī)的方法進(jìn)行分析和討論，能夠簡(jiǎn)捷而迅速地得出結(jié)果。1．牛頓利用月-地檢驗(yàn)間接地證明了萬(wàn)有引力的正確性

開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)行規(guī)律后，人們開(kāi)始思考：行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)背后的原因是什么？牛頓從牛頓運(yùn)動(dòng)定律出發(fā)，結(jié)合開(kāi)普勒第三定律得出了行星運(yùn)行的力學(xué)本質(zhì)。牛頓發(fā)現(xiàn)：行星與太陽(yáng)之間引力與距離的平方成反比。2．加俐略從轉(zhuǎn)換思想出發(fā)，利用斜面實(shí)驗(yàn)間接地研究了自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律

在伽利略那個(gè)時(shí)代，由于物理研究工具簡(jiǎn)陋，直接研究自由落體運(yùn)動(dòng)是非常困難的。于是，伽利略嘗試用轉(zhuǎn)換思想進(jìn)行研究自由落體相似的運(yùn)動(dòng)。為了沖淡重力的影響，他設(shè)計(jì)了斜面實(shí)驗(yàn)。讓小球從靜止開(kāi)始沿斜面下滑，進(jìn)而獲得了自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律。卡文迪許實(shí)驗(yàn)巧妙地利用了轉(zhuǎn)換思想

卡文迪許在設(shè)計(jì)扭稱(chēng)實(shí)驗(yàn)時(shí)就用到了轉(zhuǎn)換思想。卡文迪許扭秤發(fā)生扭轉(zhuǎn)后，引力對(duì)T形架的力矩與石英絲由于彈性形變產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩大小相等。只要測(cè)出石英絲扭轉(zhuǎn)力矩也就知道了引力力矩。在測(cè)量石英絲扭轉(zhuǎn)角度時(shí)也用到了轉(zhuǎn)換法。由于這個(gè)角度是非常小，直接測(cè)量是非常困難的，于是卡文迪許利用平面鏡反射光，通過(guò)光在刻度尺上移動(dòng)的距離間接測(cè)出扭轉(zhuǎn)角度?？臻g立體轉(zhuǎn)換為平面

如圖所示：12個(gè)阻值都是R的電阻，組成一個(gè)立方體框架，試求AC間的電阻RAC、AB間的電阻RAB第四章：微元法

微元法又叫“微小變量法”。微元法體現(xiàn)了微分思想，是解物理題的一種常用方法.也是從部分到整體的思維方法。微元法解題體現(xiàn)了微分和積分的思想，考查學(xué)生學(xué)習(xí)的潛能和獨(dú)創(chuàng)能力微元思想在高中物理教材中有著廣泛應(yīng)用。

用該方法可以使些復(fù)雜的物理過(guò)程,用我們熟悉的物理規(guī)律迅速地加以解決，使所求的問(wèn)題簡(jiǎn)單化.在使用微元法處理問(wèn)題時(shí),需將其分解為眾多微小的“元過(guò)程”，而且每個(gè)“元過(guò)程”所遵循的規(guī)律是相同的，這樣，我們只需分析這些“元過(guò)程”，然后再將“元過(guò)程”用必要的數(shù)學(xué)方法或物理思想處理，進(jìn)而使問(wèn)題得解.使用此方法會(huì)加強(qiáng)我們對(duì)已知規(guī)律的再思考，從而起到鞏固知識(shí)、加深認(rèn)識(shí)和提高能力的作用。中國(guó)古代劉徽的割圓術(shù)

我國(guó)三國(guó)時(shí)代的數(shù)學(xué)家劉徽的割圓術(shù)就是用圓的內(nèi)接正多邊形的周長(zhǎng)無(wú)限接近圓周從而求出圓周率。先從圓內(nèi)接正六邊形起，再讓邊數(shù)成倍地增加，依次構(gòu)成圓內(nèi)接12、24、48、96...條邊的正多邊形，并逐個(gè)算出它們對(duì)應(yīng)的邊長(zhǎng)。顯然，隨著圓內(nèi)接正多邊形邊數(shù)的增多，其面積會(huì)越來(lái)越接近整個(gè)圓的面積，其周長(zhǎng)也會(huì)越來(lái)越接近圓的周長(zhǎng)，這樣就可以確定圓周率的大小。劉微說(shuō):“割之彌細(xì)，所失彌少;割之又割，以至于不可割，則與圓周合體，而無(wú)所失矣”。意思就是說(shuō)：割得越細(xì)，正多邊形與圓周的誤差也越小，這樣不斷分割下去，最后正多邊形近似與圓周重合，便就沒(méi)有誤差了。這就是古代數(shù)學(xué)史上著名的“割圓術(shù)”。2.牛頓和萊布尼茨的微積分什么叫微積分?微積分是一種數(shù)學(xué)方法。通俗地說(shuō)，“微分”就是無(wú)限細(xì)分;“積分”就是對(duì)無(wú)限累加。微積分的創(chuàng)立,極大地推動(dòng)了數(shù)學(xué)和物理的發(fā)展，過(guò)去很多用初等數(shù)學(xué)無(wú)法解決的問(wèn)題，現(xiàn)在運(yùn)用微積分，這些問(wèn)題可以迎刃而解。所以說(shuō)微積分是人類(lèi)智慧的偉大成就之一，已成為現(xiàn)代數(shù)學(xué)的重要組成部分。如果把整個(gè)數(shù)學(xué)比作一棵大樹(shù)，那么初等數(shù)學(xué)就是樹(shù)根，各種數(shù)學(xué)分支是樹(shù)枝，而樹(shù)干的主要部分就是微積分。可見(jiàn)微積分在數(shù)學(xué)中舉足輕重的地位。

狐貍以不變的速度沿著直線(xiàn)AB奔跑，獵犬以不變的速率追擊,其運(yùn)動(dòng)方向始終對(duì)準(zhǔn)狐貍。某時(shí)刻狐貍在F處,獵犬在D處，F(xiàn)D⊥AB，且FD=L.如圖所示，試求此時(shí)獵犬運(yùn)動(dòng)加速度的大小。圖8-2-1某游樂(lè)園入口旁有一噴泉，噴出的水柱將一質(zhì)量為M的卡通玩具穩(wěn)定地懸停在空中。為計(jì)算方便起見(jiàn)，假設(shè)水柱從橫截面積為S的噴口持續(xù)以速度v0豎直向上噴出；玩具底部為平板(面積略大于S)；水柱沖擊到玩具底板后，在豎直方向水的速度變?yōu)榱?，在水平方向朝四周均勻散開(kāi)。忽略空氣阻力。已知水的密度為ρ，重力加速度大小為g。求：(ⅰ)噴泉單位時(shí)間內(nèi)噴出的水的質(zhì)量；(ⅱ)玩具在空中懸停時(shí)，其底面相對(duì)于噴口的高度。模型的建立

求解物理問(wèn)題，很重要的一點(diǎn)就是迅速把所研究的問(wèn)題歸納到學(xué)過(guò)的物理模型上來(lái)，即所謂的建模.尤其是對(duì)新情境問(wèn)題,這一點(diǎn)就顯得更突出。

1.對(duì)象模型:即把研究對(duì)象的本身理想化，將實(shí)際物體在某種條件下進(jìn)行近似與抽象，包括質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷.輕繩或桿、光滑平面.輕質(zhì)彈簧.單擺、彈簧振子.彈性體.理想氣體、絕熱物質(zhì).理想電表.理想變壓。2.條件模型:把研究對(duì)象所處的外部條件理想化.排除外部條件中干擾研究對(duì)象運(yùn)動(dòng)變化的次要因人造衛(wèi)星的圓周運(yùn)動(dòng)、“人船模型”、雙星模型等。3.狀態(tài)模型:即把研究對(duì)象所處的狀態(tài)理想化，如共點(diǎn)力平衡狀態(tài)、杠桿平衡狀態(tài)、熱平衡狀態(tài)。4.過(guò)程模型:把具體物理過(guò)程純粹化、理想化后抽象出來(lái)的某種物理過(guò)程，稱(chēng)為過(guò)程模型.例如：勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、豎直上拋運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧振動(dòng)、簡(jiǎn)諧波、彈性碰撞等。天體模型的建立歷程遠(yuǎn)古的“天圓地方說(shuō)”模型

遠(yuǎn)古時(shí)代，人類(lèi)祖先抬頭凝望日月星辰。夜晚的滿(mǎn)天繁星如同一個(gè)大鍋蓋籠罩著大地，于是便有了“天圓說(shuō)”。同時(shí)，人們由于活動(dòng)范圍的限制，認(rèn)為地球是方的，因此便有了“地方說(shuō)”。天空就像一個(gè)大碗倒扣在了大地上，日月星辰遍布在碗內(nèi)。亞里士多德的“地心說(shuō)”模型

公元前4世紀(jì)，亞里士多德（公元前384-公元前322）提出了“地心說(shuō)”。他認(rèn)為，地球是宇宙的中心，日月星辰都在不斷繞地球運(yùn)行，所有天體沿各自的圓軌道以不變的速率順著一個(gè)方向繞地球運(yùn)動(dòng)運(yùn)行。

1.3托勒密的“周轉(zhuǎn)圓-均輪體系”模型

哥白尼的“日心說(shuō)”模型開(kāi)普勒模型

開(kāi)普勒（1571-1630）用第谷的觀測(cè)結(jié)果去驗(yàn)證哥白尼提出的“日心說(shuō)”模型。遺憾的發(fā)現(xiàn)，第谷的觀測(cè)結(jié)果與“日心說(shuō)”不符，但他堅(jiān)信第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的。開(kāi)普勒進(jìn)一