物理思想与方法选章节.ppt

大学物理思想方法选讲,绪 论,1 物理思想与方法概论 2 物理学中的逻辑与思维 3 大学物理中的基本方法 4 大学物理与数学 5 关于“大学物理思想方法选讲”课程,1 物理思想与方法概论,物理学是研究物质的基本结构、基本 运动形式、相互作用和转化规律的学 科。它本身以及它与各个自然学科、 工程技术部门的相互作用创造了今天 的科技进步和人类文明，对当代及未 来高新科技的进步、相关产业的建立 和发展提供着巨大的推动力。 在人类追求真理、探索未知世界的过程中，物理学展 现了一系列科学的世界观和方法论，深刻影响着人类对 物质世界的基本认识、人类的思维方式和社会生活，是 人类文明的基石。,一、关于物理思想,物理思想：,在对物质的运动形式、内在规律和物质基本结构等客观存在的研究过程中，物理现象和规律在人的意识中经过思维活动而产生的认识论与思想体系的结果。,1 物理思想与方法概论,具体内涵:,(1)物理理论体系的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的思维方式、探索精神以及基本观念。,典型的物理思想有：,观察和实验探究的思想、归纳形成物理概念和物理规律的思想、科学设想与建立物理模型思想、“时空”和“守恒”思想等等。,二、关于物理方法,物理方法：,在研究物理规律过程中形成的一系列科学方法。其基本特征是：将经验（以实验和观察的形式）与思维（以创造性构筑的理论和假说的形式）有机结合，互相促进，推动物理学不断发展。,典型的物理方法有：,1 物理思想与方法概论,物理方法是物理思想的具体表现，是沟通思想、知识和能力的桥梁。运用方法的过程同时也是思维的过程。,观察法、实验法、综合法、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。,认识物理学思想是学好物理的前提，因此，我们在学习物理过程中，始终要领会物理学思想，并能逐步转化为自己的思想。在此基础上，掌握科学方法，提高分析和解决物理问题的能力是根本目的。,我们在学习物理课程的同时，不仅要学习物理概念、物理规律，而且要学习研究物理问题的方法，努力汲取物理学的精华。 掌握物理思想和研究方法，对学习好物理具有重大的意义。,1 物理思想与方法概论,“科学是一种方法。它教导我们：一些事物是怎样被 了解的，什么事情是已知的，现在了解到了什么程度， 如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则；如 何思考事物，做出判断，如何区别真伪和表面现象”。 R.P费曼,希望两位著名物理学家的话，能成为大家学习 物理的座右铭。学习课程除了掌握基本知识外，更 重要的是学习一种科学的思维方法。正如一个古老 的故事所讲的那样，学生从老师那里得到的，应该 是一个点石成金的 法则 ，而不是一堆 金子 。,一、综合归纳,2 物理学中的逻辑与思维,物理学理论的建立与发展、修正与演变所涉及的具体思维模式及研究方法概括起来可分为以下几大类：,从特殊到一般的逻辑思维方法,将有限的、特殊的个别事实综合起来研究，寻找或抽象出其中的共性与规律性，再推广至普遍情形。,如：天电与地电的统一、从开普勒定律到万有引力定律、物理模型的建立，等等。,二、分析演绎,从一般的物理原理出发，具体分析个别现象，并作出结论或预测。,如：能量守恒定律与预言和发现中微子、康普顿散射实验验证光的粒子性，等等。,从一般到特殊的逻辑思维方法,三、类比,从特殊到特殊的逻辑思维方法,根据未知的物理事实和已知事实间某方面的相似性而推断其它方面的相似性。,如库仑定律与万有引力定律、声波与光波的多普勒效应，等等。,非逻辑的思维方法,在已知材料的基础上，经过思维组合而创造出新的想法或假说。具有逻辑跳跃性，类似于猜想或顿悟。,如法拉第的场线概念、普朗克的能量子假说、玻尔的原子结构模型，等等。,2 物理学中的逻辑与思维,四、科学想象,所谓科学想象，是指无论新想法有多奇妙或听上去多么合理，都必须接受可重复实验的验证，否则就不能接受。,如：磁荷的假说至今未获证实。,五、自然和谐法则,物理学的普遍指导思想,物理学家认为：自然规律是可以认识和把握的，而且最基本的自然规律应具有统一性、对称性、简单性等优美和谐的属性。,例如：麦克斯韦电磁理论的建立、相对论的基本假设、大统一理论等,爱因斯坦说过：,一切科学的伟大目标，就是要从尽可能少的假说或公理出发，通过逻辑的演绎，概括尽可能多的经验事实。,逻辑上简单的东西当然不一定就是物理上真实的东西，但物理上真实的东西一定是逻辑上简单的东西，它们在基础上具有统一性。,2 物理学中的逻辑与思维,注意：,归纳、演绎、类比、想象（方法论范畴）最终总要服从和归结于自然和谐法则（世界观范畴），后者是物理学家的基本追求和最高理想。,不同的逻辑或思维方法之间往往经常相互交叉、彼此渗透，不要做机械式的套用。,同学们应该在物理学习的过程中、通过理解和掌握具体的物理理论及其产生和发展的过程来体会上述思想是如何具体体现的。,建议有兴趣的同学阅读一些物理学史方面的书籍或材料。,2 物理学中的逻辑与思维,一、动力学分析法,物理学具体包括力学、电磁学、光学、热学、相对论、量子物理等内容，分别从不同侧面揭示物质的基本属性和运动规律，但是存在着一些几乎适用于所有分支理论、普遍成立的基本原理或规则，它们对于研究和处理物理问题具有重要指导价值。下面介绍大学物理教学中可体现出的一些最重要的原理和方法。,在深入、精细地分析物质系统各部分的性质和相互关系的基础上，应用适用于此类物理问题的物理定律、定理和数学工具，对所关心的物理量建立关系方程并定量求解，从而得到该物理量时空分布的全部信息。,这是应用物理理论研究处理问题的基本方法。,具体如：“隔离体”法、微积分法等。,3 大学物理中的基本方法,二、 叠加法,很多物理量都服从叠加原理（如运动的叠加、力的叠加、电磁场的叠加、电势的叠加、波函数的叠加等），可以应用此原理将复杂的问题分解为若干简单问题，先分别找出它们各自所满足的规律与关系，然后再通过叠加的方法得到原来的较复杂问题所应满足的规律与关系，进而得到解答。,注意,应用叠加法的基本思路是：先分解，再叠加。,叠加法经常要与动力学方法结合起来应用。,3 大学物理中的基本方法,在应用前，首先必须先确定叠加原理是否成立。,例如：声波的传播一般满足叠加原理，但当声强非常大（爆炸声、冲击波）时叠加原理就不成立了。,三、 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具有普适性且服从守恒定律的物理量（如能量、动量、角动量等），它们分别与具体物理系统中的相关物理量（如质量、速度、场强、振幅等）有直接关系。通过整体把握系统性质、分析守恒条件，应用相关普适物理量所服从的守恒定律建立关系式，有利于抓住了问题的某种本质，且会极大地减少工作量、提高解答问题的准确性。,3 大学物理中的基本方法,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的，但具体到我们研究的有限系统，则不一定，要看守恒条件是否满足。若不满足，可具体分析造成其变化的动力学原因，并列出二者的关系式，做出解答。,四、 对称性分析法,对称性是物理学自然和谐法则的一个重要而深刻的体现。,常见的对称性：,对称性的定义：,将某个系统经过某种操作从一种状态变成另一个状态（又称为：变换），如果与原状态相比是完全相同或等价的，则称此系统对该变换是对称的，而相应的变换叫做此系统的“对称变换”。,（魏尔的定义）,镜像、转动、平移、标度（尺度缩放）、,置换、时间平移与反演、,对称性原理：,物理原因中对称性必反映全部体现于物理结果中，而结果中的不对称性亦必在原因中全部得以反映。,(因果关系判断),3 大学物理中的基本方法,两点说明：,以上四种基本方法实际上是物理规律在不同层次上的体现。,在具体分析和解答物理问题时，以上方法应根据问题的特征，综合、灵活地运用，以收到事半功倍的效果。,动力学与叠加原理：,侧重微观上的分析演绎，所涉及的物理规律一般仅适用于具体问题所覆盖的领域。,守恒量：,侧重宏观上的综合归纳，所涉及的物理量具有广泛的适用性，相应的守恒定律具有普适性。,对称性：,具有最大的普适性，往往揭示出更加深刻的物理本质与时空特性。,3 大学物理中的基本方法,一、 两点要求,4 大学物理与数学,如果把物理学所揭示的物质世界比喻成一本大书的话，那么这本大书一定是用数学的语言写成的。,如何把学到的数学知识和技巧恰当地运用到物理的学习、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达物理含义。,2、懂得从数学表达性式中看出其物理意义。,物理,数学,翻译,解释,在此强调：数学符号、表达式、方程等一定要严格按规范的要求书写，并与其物理含义相一致。这是科学训练的一项基本功。,但物理意义是根本！,二、 大学物理中最重要的两个数学工具,矢量,微积分,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的语言，同学们应在中学数学的基础上，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，使自己的数理理论功底提升到更高的水平。,矢量的微积分,4 大学物理与数学,一、教学目的,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所涉及的分析和解决物理问题的基本思想和基本方法，并通过必要的归纳总结、拓展引导、习题讨论和练习，帮助学生在基础物理层次上更好地掌握物理学研究物质运动规律所涉及的最基本、最核心的思想、观点和方法，为学生打下坚实的物理基础、提高科学素养发挥良好作用。,5 关于“大学物理思想方法选讲”课程,与“大学物理”课程相配合，同步开设的选修课程，共32学时（2学分），分两学期开设。,三、教学要求,课堂考勤：教师抽查，出勤学时不低于本学期总学时的3/4，方有资格取得成绩。,大 作 业：每学期布置2-3次大作业，须全部按要求完成，否则无成绩。,成绩评定：综合前两项及期末考查的结果综合做出。,答疑安排：每周四晚20：30-22：30在三教304。,5 关于“大学物理思想方法选讲”课程,做好笔记，及时复习，适当练习。,大学物理学(第二版）（清华大学出版社，共五册） ，张三慧主编 大学物理解题方法（机械工业出版社，共二册），钟寿仙等主编 物理学思想方法研究（浙江大学出版社），向红专著 定性与半定量物理学（高等教育出版社），赵凯华编著 基础物理中的数学方法（北京大学出版社），王楚等主编 大学物理典型题解题思路与技巧（西安交大出版社），王小力编,矢量性、瞬时性、相对性,1、位置矢量、速度、加速度的定义及其基本性质,第1章 质点运动学内容提要与基本要求,3、运动学两类基本问题的处理方法,4、切向加速度与法向加速度,2、运动