物理学中抽象方法以及在力学中的应用MicrosoftWord文档

1、本科毕业论文（设计）目录目录1 前言.12力学中的抽象方法如何建立理想模型和它的分类 .32.1 抽象方法如何建立力学抽象模型的原则.42.2 抽象方法建立的力学抽象模型的分类 .52.2.1 物体模型.52.2.2 过程模型.62.2.3 体系模型.83力学与技术科学和生产实践的关系 .94结束语 .10参考文献 .11致 谢 .12本科毕业论文（设计）物物理理学学中中抽抽象象方方法法以以及及在在力力学学中中的的应应用用摘摘 要要： 物理问题的解决凝聚着历代物理学者的智慧与心血，至今已从延生出一门物理方法论的信的科学。抽象方法是研究物理学的重要方法之一，抽象法是一种非常重要的教学和思维方法。

2、它质的一些特征和属性,抽出本质特征和属性,从而抓住， 、物理现象和物理过程的本质,达到通过物理实验揭示物理本质,使学生理解和掌握物理知识的效果。对一些微观的物理现象以及抽象的物理概念和规律,若采用放大法、推理法、物理模型法、等效替代法、理想化法、类比法、转换法等科学研究方法,不仅能提高学生对知识的认识和理解,而且对培养学生的科学思维和习惯,提高科学素养,将他们已掌握的知识和方法升华为可持续发展的能力都会有极大帮助。关键词：关键词： 物理学方法，抽象方法，理想模型，力学。本科毕业论文（设计）11 1 前言前言自西方传来希腊文写作 而英文写作 physics。由日本人译作“物理学” ，又传入中国。

3、 “物理”顾名意思指的是自然界存在的各种事物的之道理，它最直接地关心自然界最基本的规律，应该说人们创造“物理”这一次勾意味着探索自然界的奥秘是人类的一个本质特征。自然科学，包括物理学在内 ，是以认识物质世界的基本属性，研究物质运动的基本规律为对象的。现代自然科学的知识宝库，是几千年来人们在生产实践和科学实验中对自然的探索和创作性工作的结晶。我们学习这些知识，目的在于掌握自然规律，促进自然科学的发展，从而进一步利用自然，改造自然，使自然规律为人类服务。自然界，无限广阔，丰富多彩。形形色色的物质在其中不断地运动变化着。什么是物质？大至日、月、星辰，小至分子、原子、电子，都是物质。固体、液体、气体、

4、等离体等，这些事物是物质：电场、磁场、重力场和引力场，这些场也是物质。总之自然界的无数事物，形色不一，都是运动着的物质的不同形态。一切物质都是永恒不息地运动着、变化着，自然界一切现象就是物质运动的表现。运动是物质的存在形式，物质固有属性，它包括宇宙中所发生的一切变化和过程，从简单的位置变化至人的思维。各种不同的物质运动形式既服从普遍规律，也有自己的独特规律。自然科学的各个分学科就是研究不同的运动形式而区分的。物理学所研究的是物质运动的最基本最普遍的形式，具体地讲，物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科。它包括机械运动、分子热运动、电磁运动、光子的运动、原子和原子核内部的运动等等。总之，物理学

5、所研究的时空范围是非常广泛的。物理学所研究的运动，普遍地存在于其他高级的、复杂的运动形式（比如：化学的、生物的等等）之中。因此，物理学所研究的物质运动规律，具有最大的普遍性。比如：宇宙的任何物体，不论其化学性质如何，或有无生命，遵从物理学中的万有引力定律；一切变化和过程，无论它们是否具有化学的、生物的或其他的特殊性质，都遵从物理学中确定的能量转化和守恒定律。不可能、也不应该企图单纯地用物理学规律来解释物质的一切运动形式。比如：生命现象就不能物理过程来说明。由于物理学所研究的物质运动具有普遍性，所以物理学在自然学科中占有重要地位，成为其他自然学科、工程学科和应用学科的基础。本科毕业论文（设计）2

6、各门学科的研究方法都离不开人类对客观世界的认识法则，也就是实践理论实践的认识法则。物理学的研究方法，当然也遵从上述认识法则。具体地说，物理学的理论，就是通过观察、实验、抽象、假说等研究方法并通过实践的检验而建立起来的。检验真理的唯一标准是实践。观察和实验方法是科学研究的基本方法。抽象方法是根据问题的内容和性质，抓主要因素，撇开次要的、局部的、偶然的因素，建立一个与实际情况差距不大的理想模型进行研究。例如：“质点”和“刚体”都是物理学中最初接触的物体的理想模型，把物体看作“质点”时， “质量”和“点”是主要因素，物体的“形状”和“大小”是可以忽略不计的次要因素。把物体看作“刚体”一形状和大小均保

7、持不变的物体时，物体的“形状” 、 “大小”和“质量分布”是主要因素，物体的“变形”是可以忽略不计的次要因素。在物理学的研究中，这种理想模型是十分重要的。研究物体机械运动的规律时，就是从质点运动的规律入手，再研究刚体运动的规律而逐步深入的。物理定律一般是指实验定律，是实验事实的总结，说明某些现象之间的相互联系，或说明某些物理量之间的关系，常用文字或数学公式的形式来表述。由于实验条件，实验仪器精确度等的限制，物理定律具有近似性和局限性，但是在一定的程度上能够反映客观实在的规律性。物理学的理论是通过许多不同的而相互有关的想象的研究。从一些已经建立起来的定律中，经过更为广泛的概括，而得到的系统化的知

8、识体系完整的理论往往可以从少数几条比较简单的基础原理出发，说明一定的范围内的各种现象，并且还能在一定程度上预言未知现象的存在，一步指导新的实践。例如：麦克斯韦电磁场理论，不仅能够解释各种电现象与磁现象的关系，而且语言了电磁波的存在极其传播速度，并终于为实验所证实。从观察、实验、抽象、假说到物理学的研究并没有结束，理论将继续受到实践的检验。如果在实践中所发现的事实与理论有矛盾，这理论就必须修改，有时甚至要放弃原有的理论，而建立更能反映客观实际的新理论，上世纪以来，近代物理学中的许多重大成就，例如：相对论时空观和物质的波粒二象性的建立，基本粒子的相互转化的实验和理论等等都是一些重要的例子。2力学中

9、的抽象方法如何建立理想模型和它的分类力学中的抽象方法如何建立理想模型和它的分类人们在观察自然现象时，常会发现要研究的对象中的一些性质，对于现象的过程本科毕业论文（设计）3及其最终结果具有决定性的影响，而另外的一些性质则起次要作用。为了便于研究，人们在观察和实验的基础上，运用抽象思维能力，忽略次要因素和过程，只考虑起决定作用的主要因素和过程，把研究对象形式化、纯粹化，这就是抽象化的方法。建立抽象模型是科学抽象方法的一种形式。（1）抽象模型是以客观实体为原型进行科学抽象的产物，是客体主要特征的反映。例如力学中研究的“刚体”模型是固体的形状、体积不易改变的突出反映；分子物理学中研究的“抽象气体”模型

10、是一定质量的真实气体分子本身的体积和气体体积相比，以及分子之间的作用力在低压、高温下都显得十分微小这一特征的反映；光学研究中的“绝对黑体”模型是某些物体几乎能够全部吸收外来电磁辐射而很少发生反射的折射的这一特征的反映。（2）抽象模型是研究解决实际问题的基础。建立抽象模型代替实际的研究对象，可以使研究的问题大为简化。例如研究抛体运动，可以忽略抛射体的形状和大小，把它看成“质点” ，只研究它具有一定的初速度和只在重力作用下的平动运动的情况，而不考虑它自身可能的转动及受空气阻力的影响等，这对速度不大的真实抛射体来说，它的实际运动情况和抽象情况是很接近的。在解决如炮弹飞行弹道这类实际问题时，仍是以抽象

11、模型的研究为基础，然后考虑实际对象在运动过程中其他因素的影响，把研究结果作各种修正，便能较好地解决实际问题。（3）由抽象模型建立起来的相应理论有一定的适用范围。例如库仑定律只适用于“点电荷”的情况，对于两个靠得很近的带电体间存在的相互作用力，就不能简单地直接应用库仑定律。又如抽象气体状态方程只能近似描述真实气体在低压、高温下各状态参量间的变化关系，而在高温、低压情况下，则必须考虑由于分子间作用力和分子体积的实际存在而进行修正。2.12.1 抽象方法如何建立力学抽象模型的原则抽象方法如何建立力学抽象模型的原则在自然科学的研究中, “ 抽象模型” 的建立, 具有十分重要的意义。第一, 引入“ 抽象

12、模型”的概念, 可以使间题的处理大为简化而又不会发生大的偏差。在现实世界中, 有许多实际的事物与这种“ 抽象模型” 十分接近。在一定的场合一定的条件下, 作为一种近似, 可以把实际事物当作“ 抽象模型” 来处理, 即可以将“ 抽象模型” 的研究结果直接地用于实际事物。本科毕业论文（设计）4所谓“抽象模型”，就是为了便于研究而建立的一种高度抽象的抽象客体或抽象过程“抽象模型”是现实世界中找不到的东西，但是，“抽象模型”是以客观实在为原型的，是对客观事物或过程的一种近似反映，它突出反映了客观事物或过程的某一主要矛盾或主要特性，完全忽略了其它方面的矛盾或特性。物理学中创建的“抽象模型”，叫做“物理模

13、型”。抽象化的方法是科学抽象的一种形式。科学抽象具有抽象的纯化作用。在实验中, 为了保证自然过程能在纯粹形态下进行, 需要对自然条件加以纯化, 即排除各种次要的、非本质因素的干扰。但是, 有些因素在实验中是不可能完全排除的。然而, 科学抽象则可以弥补实验研究的这种不足。在抽象思维中, 人们可以做到完全排除次要因素的干扰, 使研究条件达到抽象纯化的程度。应用科学抽象的这种抽象纯化作用来进行科学研究的方法, 就叫做抽象化的方法。著名物理学大师开尔文曾说过 ：没有给研究对象建立起一个力学模型之前，我是永远都不会满足的。如果我能成功地建立起一个模型。我就自理解它，否则， 我就不能。这说明建立和应用物理

14、模型是创立物理科学理论的有力武器。我国著名的科学家钱学森曾说：“模型就是通过对问题观察的分解利用我们考究得来的原理，吸收一切主要 因素。略去一切不主要因素所创造出来的一幅图画”这就是说，抽象物理模型的建立必须根据问题内容的性质和研究的重点突出原型的本质特征抓其最主要的起决定作用的因素，忽略副要的局部的非本质的素， 在一定的条件下，把复杂的客观研究对象简化和近似化，抽象为虽简单的可用一个足以表征，其主要性能的抽象化模型来表示。这个抽象物理模型不再是原来包多种因素的客观研究对象，而是它原型的近似反映。它代表了原型最主要的虽令人感兴趣的东西。这样我们就抓住了问题的主要方面而不被次要方面所混淆，从而便

15、于研究并准确简明地用一个与实际情况差距极小的抽象物理模型对客观研究对象的主要矛盾进行规律性描述得出最主要的结论，尽管建立抽象模型的条件不是绝对的而是相对的，但所选择的模型必须如实地反映所研究对象起主要作用的那些性质同一客观研究对象，在不同研究重点和目的下所建立的物理模型是不同的，只有满足所要研究的问题的性质而建立的抽象模型才可代替实际研究对象抽象物理模型是理性思维的产物，是根据理论研究工作的需要抽象出来的，绝不是随心所欲的塑造 ，正确合理的模型的建立、修正、适用范围的确定乃至取弃存亡都应以用该模型所得结论是否实际相符本科毕业论文（设计）5为依据。2.22.2 抽象方法建立的力学抽象模型的分类抽

16、象方法建立的力学抽象模型的分类抽象方法是根据问题的内容和性质，抓主要因素，撇开次要的、局部的、偶然的因素，建立一个与实际情况差距不大的抽象模型进行研究，在物理学的研究中，这种抽象模型是十分重要的。物理模型的提出与发展揭示了物理概念的进化与形成;所以模型方法也就成为理解物理概念的基本思路。现举一例说明模型方法在解题中应用。在力学中根据这个原则抽象方法建立的抽象模型分为物体模型、过程模型和体系模型。2.2.12.2.1 物体模型物体模型质点：质点：质点是一个最基本的抽象模型, 在力学中把可以忽略其物体形状和大小, 但具有一定质量的物体的抽象化抽象模型称为质点。问题的关键是什么情况下，才能把研究的物

17、体抽象为质点呢？只有满足以下两个条件的物体可以看成质点：（1）物体作平动时，物体上任一点的运动均可以代表整个物体的运动；（2）物体运动所涉及的空间尺度远远大于物体本身的几何线度抽象光滑面：抽象光滑面：完全光滑的斜面，叫做抽象光滑斜面物体在抽象斜面上运动时，物体与斜面间的摩擦忽略不计该斜面应用于“伽利略的斜面实验”中。单摆：单摆：如图 1 所示，如果悬挂小球的细线的伸缩和质量可以忽略，线长又比球的直径大得多，这样的装置就叫做单摆。单摆在振动中，如果偏角很小(如)的情况下，单摆的 010振动可视为简谐运动。此时的单摆具有等时性，其周期周期与振幅无关其中，周期是 2 秒的单摆通常叫做秒摆单摆在振动中

18、，gLT2机械能守恒。弹簧振子弹簧振子：如图 2 所示，把一个有孔的小球安在弹簧的一端，弹簧的另一端固定，小球穿在光滑的水平杆上，可以在杆上滑动小球和水平杆之间的摩擦忽略不图图 1 单摆单摆本科毕业论文（设计）6计，弹簧的质量比小球的质量小得多，也可忽略不计这样的系统称为弹簧振子。其中的小球常称为振子。轻绳：轻绳：不考虑绳自身质量的绳称做轻绳绳分为弹性绳(可伸长)和不可伸长绳(刚性绳)在没特殊指明情况下，一般的绳都指不可伸长绳，且质量不计弹性绳中的力不能突变不可伸长绳的力可以突变用不可伸长绳连接的两个物体，两物体在绳方向上的分速度大小相等 （如图 3 所示）21vv 2.2.22.2.2 过程

19、模型过程模型匀速直线运动：匀速直线运动：匀速直线运动是物体作直线运动时，在任意相等的时间间隔内速度的变化相等，这种运动便称为匀速直线运动，可实际上是不存在这样的运动，很难找到，所以把这种运动过程也简化为一种抽象化过程。自由落体运动：自由落体运动：自由落体运动是忽略空气有阻力及其他影响，物体只受重力作用从静止开始下落的运动，在研究物体的这种运动时忽略了空气的阻力，仅受重力作用，所以这也是一种抽象化过程模型。完全弹性碰撞：完全弹性碰撞：就是说两物体碰撞前后没有能量损失，仅仅发生的是能量的交换，可实际上能量没有损失也是完全不可能的，在这情况下同样可以认为这种完全弹性碰撞过程称为抽象化过程模型。匀变速

20、直线运动匀变速直线运动 ：在变速直线运动中，如果在相等的时间内，速度的改变相等， 这种运动就叫做匀变速直线 运动。匀变速直线运动的规律：基本公式： ， atvvt0221atvst重要的推导公式： ，asvvt2202速度图象：图线为一 条倾斜的直线，运动轨迹为一条直线，但位 移图象为一条曲线。 自由落体运动：自由落体运动：物体只在重力作用下,从静止开始下落的运动， 叫做自由落体运动。自由落体运动的规律:图图 2弹簧振子弹簧振子本科毕业论文（设计）7；221ats ；gtt 位移图象为抛物线的一侧； 运动轨迹为直线，但 位移图线为曲线。平抛运动平抛运动 ：将物体用一定的初速度沿水平抛出，不考虑

21、空气阻力， 物体只在重力作用下所做的运动， 叫做平抛运动。平抛运动的规律： 抛出 t 秒末的位置：；tvx0 运动轨迹为抛物线； 抛出 t 秒末时的速度：xyyxyxvvtgvvvgtvvv,220匀速圆周运动：匀速圆周运动：质点沿圆周运动，如果在相等的时间里通过的圆弧长度相等，这种运动就叫做匀速圆周运动。匀速圆周运动的规律： 线速度；Trvtsv2, 角速度： t 线速度与角速度的关系：rv 运动轨迹为圆周。简谐振动：简谐振动：物体在跟偏离平衡位置的位移大小成正比，并且总指向平衡位置的回复力的作用下的振动，叫做简谐运动简谐运动的规律：；kxF 简谐运动的机械能守恒； 简谐运动的位移图象为正弦

22、或余弦曲线； 简谐运动的轨迹可以是直线(如弹簧振子振动轨迹)，也可是曲线(单摆摆动轨迹)； 简谐运动的周期：。其中， 为一个常数，它与做简谐运km2k动的系统有关如：对单摆， ；对弹簧振子， 等于弹簧的劲度系数Lmgk k本科毕业论文（设计）82.2.32.2.3 体系模型体系模型孤立质点系：孤立质点系：取质心为坐标原点建立的参考系称为质心参考系或质心系。在讨论孤立质点系的运动时，采用质心系是方便的。在质心系里，体系的动量恒为零，且孤立体系的质心系是惯性系，功能定理和机械能守恒定律都能适用。即使讨论非孤立体系的运动，采用质心系也是方便的，可以证明，当质心系为非惯性参考系时，功能定理和机械能守恒

23、定律也仍然正确。 抽象流体：抽象流体：不可压缩的、没有粘滞性的流体，称为抽象流体其中，流体是液体和气体的总称抽象流体指液体时，是指液体不可压缩；在流动时，速度不同的各层流体之间无摩擦力(没有粘滞性)抽象流体指气体时，是指在流动时气体的密度不发生改变，气体是不可压缩的抽象流体做定常流动时符合伯努利方程完全弹性碰撞：完全弹性碰撞： 当形变能够完全恢复时，动能就守恒，这时碰撞就称之为完全弹性碰撞。此时动量守恒、能量守恒皆满足。 1e完全非弹性碰撞：完全非弹性碰撞：的物体，以初速度去碰撞1M1静止的物体，碰撞后两物体粘在一起具有共同的速度，1M（如图6所示）这种碰撞成为“完全非弹性碰撞”。此时。0e

24、基本特征是：（1）碰后两物体速度相等，有栋梁守恒定律得（2）功能关系：系统内力做功，实现系统动能与其他形式能量的vMMvM)(2111转化。当两体速度相等时，系统动能损失最大，即221211)(2121vMMvMEk非完全弹性碰撞：非完全弹性碰撞：当形变部分恢复时，其动能有损失，但不最多，这时碰撞则称之为非完全弹性碰撞。实际上，真正的碰撞大多属于非完全弹性碰撞。非完全弹性碰撞时动量守恒得: 2021012211MMMM非完全弹性碰撞中损失的动能为：22221121010212121MMMEEkk图图 4图图 5本科毕业论文（设计）93 3力学与技术科学和生产实践的关系力学与技术科学和生产实践的

25、关系由于物理学所研究的物质运动具有普遍性而物质的基本规律以及它的简单性、混合性和完美性追求，而赢得了重要科学地位，与其它学科相比，物理学更着重于去澄清“更基础” ， “更基本”的内在含义，因此，它在自然科学中属于基础学科。长期以来，物理学始终被公认为科学技术发展中一门重要的的带头学科，回顾科学技术的历史，特别是物理学的发展史，我们不难得出这样的的结论：物理学既是基础学科也是前言学科。历史已经证明而且继续证明，一旦物理学对某一层次的物质运动取得了本质上的认识，掌握了基本规律，建立起了相应的理论体系的话，那么，它不仅对本学科的发展，起到继往开来的作用。还将大大促进整个科学技术的发展，并带来重大的技

26、术革新以及技术革命，从而推动社会生产力迅猛向前发展，并对人类的生产，生活和思维方式产生广泛而深远的影响。现代科学技术的发展，使科学与生产的关系越来越密切了，科学技术作为生产力，越来越显示巨大的作用。从物理学的发展历史上看，它已经经历了三次大突破。在十七、十八世纪，由于牛顿力学的建立和热力学的发展，不仅有力地推动了其他学科的进展。而且适应了研制蒸气机和发展机械工业的社会需要，引起了第一工业革命，极大地改变了工业生产的面貌。到了十九世纪，在法拉第麦克斯韦电磁理论的推动下，人们成功地制造了电机、电器和电讯设备，引起了工业电气化，使人类进入了应用电能的时代，这就是第二工业革命。二十世纪以来，由于相对论

27、和量子力学的建立，人们对原子、原子核结构的认识日益深入。在此基础上，人们实现了核能和人工放射性同位素的利用；促进了半导体、核磁共振、激光、超导、红外遥感、信息技术等新兴技术的发展；许多边缘学科发展起来了。新兴工业扰如雨后春笋，现代科学技术正在经历一场伟大的革命，人类进入了原子能、电子计算机、自动化、半导体、激光、空间科学等高新技术的时代。总之，现代物理学已经成为基础学科中发展最快、影响最深的一门学科。上世纪以来，它一方面向认识的深度进军，另一方面又向应用的广度发展。它在发掘新能源、新材料以及革新工艺过程、检测方法等方面，都提供了丰富的实验资料和理论根据；而许多新技术新工艺的实现，又大大地发展了生产力。生产技术的发展，反过来也为物理学的进一步研究准备了雄厚的物质条件，形成相辅相成、齐头并进本科毕业论文（设计）10的局面。当代自然科