物理思想与方法选讲市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

大学物理思想方法选讲大学物理思想方法选讲第1页绪绪 论论1 物理思想与方法概论物理思想与方法概论2 物理学中逻辑与思维物理学中逻辑与思维3 大学物理中基本方法大学物理中基本方法4 大学物理与数学大学物理与数学5 关于关于“大学物理思想方法选讲大学物理思想方法选讲”课程课程第2页1 物理思想与方法概论物理思想与方法概论物理学是研究物质基本结构、基本物理学是研究物质基本结构、基本运动形式、相互作用和转化规律学运动形式、相互作用和转化规律学科。科。它本身以及它与各个自然学科、它本身以及它与各个自然学科、工程技术部门相互作用创造了今天工程技术部门相互作用创造了今天科技进步和人类文明，对当代及未科技进步和人类文明，对当代及未来高新科技进步、相关产业建立来高新科技进步、相关产业建立和发展提供着巨大推进力。和发展提供着巨大推进力。在人类追求真理、探索未知世界过程中，物理学展在人类追求真理、探索未知世界过程中，物理学展现了一系列科学世界观和方法论，深刻影响着人类对现了一系列科学世界观和方法论，深刻影响着人类对物质世界基本认识、人类思维方式和社会生活，是物质世界基本认识、人类思维方式和社会生活，是人类文明基石。人类文明基石。第3页一、关于物理思想一、关于物理思想物理思想：物理思想：在对物质运动形式、内在规律和物质基本结构在对物质运动形式、内在规律和物质基本结构等客观存在研究过程中，物理现象和规律在人等客观存在研究过程中，物理现象和规律在人意识中经过思维活动而产生认识论与思想体系意识中经过思维活动而产生认识论与思想体系结果。结果。1 物理思想与方法概论物理思想与方法概论详细内涵详细内涵:(1)物理理论体系建立和发展中形成基本思想。物理理论体系建立和发展中形成基本思想。(2)物理学家在探索物质世界规律中形成思维方物理学家在探索物质世界规律中形成思维方式、探索精神以及基本观念。式、探索精神以及基本观念。经典物理思想有：经典物理思想有：观察和试验探究思想、归纳形成物理概念和物理规律思观察和试验探究思想、归纳形成物理概念和物理规律思想、科学构想与想、科学构想与建立物理模型思想、建立物理模型思想、“时空时空”和和“守恒守恒”思想等等。思想等等。第4页二、关于物理方法二、关于物理方法物理方法：物理方法：在研究物理规律过程中形成一系列科学方法。在研究物理规律过程中形成一系列科学方法。其基本特征是：将其基本特征是：将经验（以试验和观察形式）经验（以试验和观察形式）与思维（以创造性构筑理论和假说形式）有机与思维（以创造性构筑理论和假说形式）有机结合，相互促进，推进物理学不停发展。结合，相互促进，推进物理学不停发展。经典物理方法有：经典物理方法有：1 物理思想与方法概论物理思想与方法概论 物理方法是物理思想详细表现，是沟通思想、知识和物理方法是物理思想详细表现，是沟通思想、知识和能力桥梁。能力桥梁。利用方法过程同时也是思维过程。利用方法过程同时也是思维过程。观察法、试验法、综正当、归纳法、类比法、分析法、观察法、试验法、综正当、归纳法、类比法、分析法、假设法、抽象思维法、逆向思维法、模拟想象法、极假设法、抽象思维法、逆向思维法、模拟想象法、极限法、特例法、比较法、变量控制法、发散思维法、限法、特例法、比较法、变量控制法、发散思维法、知识迁移法、数学推演法等。知识迁移法、数学推演法等。第5页 认识物理学思想是学好物理前提，认识物理学思想是学好物理前提，所以，所以，我们在学习物理我们在学习物理过程中，一直要领会物理学思想，并能逐步转化为自己思想。过程中，一直要领会物理学思想，并能逐步转化为自己思想。在此基础上，掌握科学方法，提升分析和处理物理问题能力是在此基础上，掌握科学方法，提升分析和处理物理问题能力是根本目标。根本目标。我们在学习物理课程同时，不但我们在学习物理课程同时，不但要学习物理概念、物理规律，而且要要学习物理概念、物理规律，而且要学习研究物理问题方法，努力汲取物学习研究物理问题方法，努力汲取物理学精华。理学精华。掌握物理思想和研究方法，对学掌握物理思想和研究方法，对学习好物理含有重大意义。习好物理含有重大意义。1 物理思想与方法概论物理思想与方法概论第6页 “科学是一个科学是一个方法方法。它教诲我们：一些事物是怎样被。它教诲我们：一些事物是怎样被 了解，什么事情是已知，现在了解到了什么程度，了解，什么事情是已知，现在了解到了什么程度，怎样对待疑问和不确定性，证据服从什么法则；如怎样对待疑问和不确定性，证据服从什么法则；如 何思索事物，做出判断，怎样区分真伪和表面现象何思索事物，做出判断，怎样区分真伪和表面现象”。R.P R.P费曼费曼 “我从不迷信权威，但命运捉弄了我我从不迷信权威，但命运捉弄了我我自己变我自己变 成了权威成了权威”A.A.爱因斯坦爱因斯坦 希望两位著名物理学家话，能成为大家学习希望两位著名物理学家话，能成为大家学习物理座右铭。学习课程除了掌握基本知识外，更物理座右铭。学习课程除了掌握基本知识外，更主要是学习一个科学主要是学习一个科学思维方法思维方法。正如一个古老。正如一个古老故事所讲那样，学生从老师那里得到，应该故事所讲那样，学生从老师那里得到，应该是一个点石成金是一个点石成金 法则法则 ，而不是一堆，而不是一堆 金子金子 。第7页一、综合一、综合归纳归纳2 物理学中逻辑与思维物理学中逻辑与思维物理学理论建立与发展、修正与演变所包括详细思维物理学理论建立与发展、修正与演变所包括详细思维模式及研究方法概括起来可分为以下几大类：模式及研究方法概括起来可分为以下几大类：从特殊到普通逻辑思维方法从特殊到普通逻辑思维方法将有限、特殊个别事实综合起来研究，寻找或抽象出其将有限、特殊个别事实综合起来研究，寻找或抽象出其中共性与规律性，再推广至普遍情形。中共性与规律性，再推广至普遍情形。如：天电与地电统一、从开普勒定律到万有引力定律、物如：天电与地电统一、从开普勒定律到万有引力定律、物理模型建立，等等。理模型建立，等等。二、分析演绎二、分析演绎从普通物理原理出发，详细分析个别现象，并作出结论从普通物理原理出发，详细分析个别现象，并作出结论或预测。或预测。如：能量守恒定律与预言和发觉中微子、康普顿散如：能量守恒定律与预言和发觉中微子、康普顿散射试验验证光粒子性，等等。射试验验证光粒子性，等等。从普通到特殊逻辑思维方法从普通到特殊逻辑思维方法第8页三、类比三、类比从特殊到特殊从特殊到特殊逻辑思维方法逻辑思维方法依据未知物理事实和已知事实间某方面相同性而推依据未知物理事实和已知事实间某方面相同性而推断其它方面相同性。断其它方面相同性。如库仑定律与万有引力定律、声波与光波多普勒效应，如库仑定律与万有引力定律、声波与光波多普勒效应，等等。等等。非逻辑思维方法非逻辑思维方法在已知材料基础上，经过思维组合而创造出新想法或假在已知材料基础上，经过思维组合而创造出新想法或假说。含有逻辑跳跃性，类似于猜测或顿悟。说。含有逻辑跳跃性，类似于猜测或顿悟。如法拉第场线概念、普朗克能量子假说、玻尔如法拉第场线概念、普朗克能量子假说、玻尔原子结构模型，等等。原子结构模型，等等。2 物理学中逻辑与思维物理学中逻辑与思维四、科学想象四、科学想象所谓科学想象，是指不论新想法有多奇妙或听上去多么所谓科学想象，是指不论新想法有多奇妙或听上去多么合理，都必须接收可重复试验验证，不然就不能接收。合理，都必须接收可重复试验验证，不然就不能接收。如：磁荷假说至今未获证实。如：磁荷假说至今未获证实。第9页五、自然友好法则五、自然友好法则物理学普遍指导思想物理学普遍指导思想物理学家认为：自然规律是能够认识和把握，而且最物理学家认为：自然规律是能够认识和把握，而且最基本自然规律应含有统一性、对称性、简单性等优美基本自然规律应含有统一性、对称性、简单性等优美友好属性。友好属性。比如：麦克斯韦电磁理论建立、相对论基本假设、比如：麦克斯韦电磁理论建立、相对论基本假设、大统一理论等大统一理论等爱因斯坦说过：爱因斯坦说过：一切科学伟大目标，就是要从尽可能少假说或公一切科学伟大目标，就是要从尽可能少假说或公理出发，经过逻辑演绎，概括尽可能多经验事实。理出发，经过逻辑演绎，概括尽可能多经验事实。逻辑上简单东西当然不一定就是物理上真实东西，逻辑上简单东西当然不一定就是物理上真实东西，但物理上真实东西一定是逻辑上简单东西，它们在基但物理上真实东西一定是逻辑上简单东西，它们在基础上含有统一性。础上含有统一性。2 物理学中逻辑与思维物理学中逻辑与思维第10页注意：注意：归纳、演绎、类比、想象（方法论范围）最终总要归纳、演绎、类比、想象（方法论范围）最终总要服从和归结于自然友好法则（世界观服从和归结于自然友好法则（世界观范围范围），后者），后者是物理学家基本追求和最高理想。是物理学家基本追求和最高理想。不一样逻辑或思维方法之间往往经常相互交叉、彼不一样逻辑或思维方法之间往往经常相互交叉、彼此渗透，不要做机械式套用。此渗透，不要做机械式套用。同学们应该在物理学习过程中、经过了解和掌握详同学们应该在物理学习过程中、经过了解和掌握详细物理理论及其产生和发展过程来体会上述思想是细物理理论及其产生和发展过程来体会上述思想是怎样详细表达。怎样详细表达。提议有兴趣同学阅读一些物理学史方面书籍或材提议有兴趣同学阅读一些物理学史方面书籍或材料。料。2 物理学中逻辑与思维物理学中逻辑与思维第11页一、动力学分析法一、动力学分析法物理学详细包含力学、电磁学、光学、热学、相对论、量子物理学详细包含力学、电磁学、光学、热学、相对论、量子物理等内容，分别从不一样侧面揭示物质基本属性和运动规物理等内容，分别从不一样侧面揭示物质基本属性和运动规律，不过存在着一些几乎律，不过存在着一些几乎适合用于全部分支理论、普遍成立适合用于全部分支理论、普遍成立基本基本原理或规则，它们对于研究和处理物理问题含有主要指原理或规则，它们对于研究和处理物理问题含有主要指导价值。下面介绍大学物理教学中可表达出一些最主要原理导价值。下面介绍大学物理教学中可表达出一些最主要原理和方法。和方法。在深入、精细地在深入、精细地分析分析物质系统各部分性质和相互关系基础物质系统各部分性质和相互关系基础上，上，应用适合用于这类物理问题物理定律、定理和数学工应用适合用于这类物理问题物理定律、定理和数学工具，具，对所关心物理量对所关心物理量建立关系方程并定量求解，从而得到建立关系方程并定量求解，从而得到该物理量时空分布全部信息。该物理量时空分布全部信息。这是应用物理理论研究处理问题基本方法。这是应用物理理论研究处理问题基本方法。详细如：详细如：“隔离体隔离体”法、微积分法等。法、微积分法等。3 大学物理中基本方法大学物理中基本方法第12页二、二、叠加法叠加法很多物理量都服从叠加原理（如运动叠加、力叠加、电磁场很多物理量都服从叠加原理（如运动叠加、力叠加、电磁场叠加、电势叠加、波函数叠加等），能够应用此原理将复杂叠加、电势叠加、波函数叠加等），能够应用此原理将复杂问题分解为若干简单问题，先分别找出它们各自所满足规律问题分解为若干简单问题，先分别找出它们各自所满足规律与关系，然后再经过叠加方法得到原来较复杂问题所应与关系，然后再经过叠加方法得到原来较复杂问题所应满足满足规律与关系，进而得到解答。规律与关系，进而得到解答。注意注意应用叠加法基本思绪是：先分解，再叠加。应用叠加法基本思绪是：先分解，再叠加。叠加法经常要与动力学方法结合起来应用。叠加法经常要与动力学方法结合起来应用。3 大学物理中基本方法大学物理中基本方法在应用前，首先必须先确定叠加原理是否成立。在应用前，首先必须先确定叠加原理是否成立。比如：声波传输普通满足叠加原理，但当声强非常大比如：声波传输普通满足叠加原理，但当声强非常大（爆炸声、冲击波）时叠加原理就不成立了。（爆炸声、冲击波）时叠加原理就不成立了。第13页三、三、守恒量分析法守恒量分析法在各种物理系统和物质运动形式中存在着一些含有普适性在各种物理系统和物质运动形式中存在着一些含有普适性且服从守恒定律物理量（如能量、动量、角动量等），它且服从守恒定律物理量（如能量、动量、角动量等），它们分别与详细物理系统中相关物理量（如质量、速度、场们分别与详细物理系统中相关物理量（如质量、速度、场强、振幅等）有直接关系。经过强、振幅等）有直接关系。经过整体把握整体把握系统性质、分析系统性质、分析守恒条件，应用相关普适物理量所服从守恒定律建立关系守恒条件，应用相关普适物理量所服从守恒定律建立关系式，有利于抓住了问题某种本质，且会极大地降低工作量、式，有利于抓住了问题某种本质，且会极大地降低工作量、提升解答问题准确性提升解答问题准确性。3 大学物理中基本方法大学物理中基本方法说明：说明：理论上说，上述守恒量在整个宇宙系统范围内总是守恒，理论上说，上述守恒量在整个宇宙系统范围内总是守恒，但详细到我们研究有限系统，则不一定，要看管恒条件是但详细到我们研究有限系统，则不一定，要看管恒条件是否满足。若不满足，可详细分析造成其改变动力学原因，否满足。若不满足，可详细分析造成其改变动力学原因，并列出二者关系式，做出解答。并列出二者关系式，做出解答。第14页四、四、对称性分析法对称性分析法对称性是物理学自然友好法则一个主要而深刻表达对称性是物理学自然友好法则一个主要而深刻表达。常见对称性：常见对称性：对称性定义：对称性定义：将某个系统经过某种操作从一个状将某个系统经过某种操作从一个状态变成另一个状态（又称为：变换），假如态变成另一个状态（又称为：变换），假如与原状态相比是完全相同或等价，则称此系与原状态相比是完全相同或等价，则称此系统对该变换是对称，而对应变换叫做此系统统对该变换是对称，而对应变换叫做此系统“对称变换对称变换”。（魏尔（魏尔定义）定义）镜像、转动、平移、标度（尺度缩放）、镜像、转动、平移、标度（尺度缩放）、置换、时间平移与反演、置换、时间平移与反演、对称性原理：对称性原理：物理原因中对称性必反应全部表达于物物理原因中对称性必反应全部表达于物理结果中，而结果中不对称性亦必在原理结果中，而结果中不对称性亦必在原因中全部得以反应。因中全部得以反应。(因果关因果关系判断系判断)3 大学物理中基本方法大学物理中基本方法第15页两点说明：两点说明：以上四种基本方法实际上是物理规律在不一样层以上四种基本方法实际上是物理规律在不一样层次上表达。次上表达。在详细分析和解答物理问题时，以上方法应依在详细分析和解答物理问题时，以上方法应依据问题特征，综合、灵活地利用，以收到事半据问题特征，综合、灵活地利用，以收到事半功倍效果。功倍效果。动力学与动力学与叠加原理：叠加原理：侧重微观上分析演绎，所包括物理规律普通仅侧重微观上分析演绎，所包括物理规律普通仅适合用于详细问题所覆盖领域。适合用于详细问题所覆盖领域。守恒量：守恒量：侧重宏观上综合归纳，所包括物理量含有广泛侧重宏观上综合归纳，所包括物理量含有广泛适用性，对应守恒定律含有普适性。适用性，对应守恒定律含有普适性。对称性：对称性：含有最大普适性，往往揭示出愈加深刻物理本质含有最大普适性，往往揭示出愈加深刻物理本质与时空特征。与时空特征。3 大学物理中基本方法大学物理中基本方法第16页一、一、两点要求两点要求4 大学物理与数学大学物理与数学假如把物理学所揭示物质世界比喻成一本大书话，那假如把物理学所揭示物质世界比喻成一本大书话，那么这本大书一定是用数学语言写成。么这本大书一定是用数学语言写成。怎样把学到数学知识和技巧恰当地利用到物理学习、怎样把学到数学知识和技巧恰当地利用到物理学习、研究中，对很多大学生是一个难题。研究中，对很多大学生是一个难题。1、学会用数学语言描述和表示物理含义。、学会用数学语言描述和表示物理含义。2、知道从数学表示性式中看出其物理意义。、知道从数学表示性式中看出其物理意义。物理物理数学数学翻译翻译解释解释在此强调：数学符号、表示式、方程等一定要严格按规范在此强调：数学符号、表示式、方程等一定要严格按规范要求书写，并与其物理含义相一致。这是科学要求书写，并与其物理含义相一致。这是科学训练一项基本功。训练一项基本功。但物理但物理意义是意义是根本！根本！第17页二、二、大学物理中最主要两个数学工具大学物理中最主要两个数学工具矢量矢量微积分微积分 许多物理量和物理定律表述和应用都必须借许多物理量和物理定律表述和应用都必须借助于矢量和微积分语言，同学们应在中学数学基助于矢量和微积分语言，同学们应在中学数学基础上，有意识地练习用这两个数学工具来表述、础上，有意识地练习用这两个数学工具来表述、推导、计算、分析和解答物理问题，使自己数理推导、计算、分析和解答物理问题，使自己数理理论功底提升到更高水平。理论功底提升到更高水平。矢量微积分矢量微积分4 大学物理与数学大学物理与数学第18页一、教学目二、课程性质二、课程性质 较为系统地总结和归纳大学物理课程及其教学要求中较为系统地总结和归纳大学物理课程及其教学要求中所包括分析和处理物理问题基本思想和基本方法，并经过所包括分析和处理物理问题基本思想和基本方法，并经过必要归纳总结、拓展引导、习题讨论和练习必要归纳总结、拓展引导、习题讨论和练习，帮助学生在，帮助学生在基础物理层次上更加好地掌握物理学研究物质运动规律所基础物理层次上更加好地掌握物理学研究物质运动规律所包括最基本、最关键思想、观点和方法，为学生打下坚实包括最基本、最关键思想、观点和方法，为学生打下坚实物理基础、提升科学素养发挥良好作用。物理基础、提升科学素养发挥良好作用。5 关于关于“大学物理思想方法选讲大学物理思想方法选讲”课程课程与与“大学物理大学物理”课程相配合，同时开设选修课程，课程相配合，同时开设选修课程，共共32课时（课时（2学分），分两学期开设。学分），分两学期开设。第19页三、教学要求三、教学要求1.课堂考勤：教师抽查，出勤课时不低于本学期总课课堂考勤：教师抽查，出勤课时不低于本学期总课时时3/4，方有资格取得成绩。，方有资格取得成绩。3.大大 作作 业：每学期布置业：每学期布置2-3次大作业，须全部按要求次大作业，须全部按要求完成，不然无成绩。完成，不然无成绩。4.成绩评定：综合前两项及期末考查结果综合做出。成绩评定：综合前两项及期末考查结果综合做出。5.答疑安排：每七天四晚答疑安排：每七天四晚20：30-22：30在三教在三教304。5 关于关于“大学物理思想方法选讲大学物理思想方法选讲”课程课程2.做好笔记，及时复习，适当练习。做好笔记，及时复习，适当练习。第20页h大学物理学大学物理学(第二版）（清华大学出版社，共五册）第二版）（清华大学出版社，共五册），张三慧主编，张三慧主编h大学物了解题方法（机械工业出版社，共二册），钟大学物了解题方法（机械工业出版社，共二册），钟寿仙等主编寿仙等主编h物理学思想方法研究（浙江大学出版社），向红专著物理学思想方法研究（浙江大学出版社），向红专著h定性与半定量物理学（高等教育出版社），赵凯华编定性与半定量物理学（高等教育出版社），赵凯华编著著h基础物理中数学方法（北京大学出版社），王楚等主基础物理中数学方法（北京大学出版社），王楚等主编编h大学物理经典题解题思绪与技巧（西安交大出版社），大学物理经典题解题思绪与技巧（西安交大出版社），王小力编王小力编参参 考考 书书第21页矢量性、瞬时性、相对性矢量性、瞬时性、相对性1、位置矢量、速度、加速度定义及其基本性质、位置矢量、速度、加速度定义及其基本性质第第1章章 质点运动学质点运动学内容提要与基本要求内容提要与基本要求3、运动学两类基本问题处理方法、运动学两类基本问题处理方法4、切向加速度与法向加速度、切向加速度与法向加速度2、运动相对性（伽利略变换）、运动相对性（伽利略变换）5、圆周运动中角量描述与线量描述、圆周运动中角量描述与线量描述第22页6、基本要求、基本要求明确学会综合利用文字、图形和数学语言描述物理问明确学会综合利用文字、图形和数学语言描述物理问题基本规范。题基本规范。熟练掌握利用矢量和微积分表述和计算质点运动问题熟练掌握利用矢量和微积分表述和计算质点运动问题基本方法和技巧。基本方法和技巧。第第1章章 质点运动学质点运动学内容提要与基本要求内容提要与基本要求经过计算得到结果数学表示式后，要会解释其物理意经过计算得到结果数学表示式后，要会解释其物理意义，并经过量纲检验、特例测试、极限分析、定性或义，并经过量纲检验、特例测试、极限分析、定性或半定量估算等方法检验其合理性。半定量估算等方法检验其合理性。从学习物理一开始，就必须强调表述和解题基本规范，从学习物理一开始，就必须强调表述和解题基本规范，这是培养科学思维能力、提升科学素养第一步。这是培养科学思维能力、提升科学素养第一步。第23页