物理思想與方法選講市公開課金獎市賽課一等獎?wù)n件

大學(xué)物理思想辦法選講第1頁第1頁緒論§1物理思想與辦法概論§2物理學(xué)中邏輯與思維§3大學(xué)物理中基本辦法§4大學(xué)物理與數(shù)學(xué)§5關(guān)于“大學(xué)物理思想辦法選講”課程第2頁第2頁§1物理思想與辦法概論物理學(xué)是研究物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)、基本運動形式、互相作用和轉(zhuǎn)化規(guī)律學(xué)科。它本身以及它與各個自然學(xué)科、工程技術(shù)部門互相作用創(chuàng)造了今天科技進步和人類文明，對當代及未來高新科技進步、相關(guān)產(chǎn)業(yè)建立和發(fā)展提供著巨大推動力。

在人類追求真理、摸索未知世界過程中，物理學(xué)展現(xiàn)了一系列科學(xué)世界觀和辦法論，深刻影響著人類對物質(zhì)世界基本結(jié)識、人類思維方式和社會生活，是人類文明基石。第3頁第3頁一、關(guān)于物理思想物理思想：在對物質(zhì)運動形式、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)律在人意識中通過思維活動而產(chǎn)生結(jié)識論與思想體系結(jié)果?！?物理思想與辦法概論詳細內(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)家在摸索物質(zhì)世界規(guī)律中形成思維方式、摸索精神以及基本觀念。典型物理思想有：

觀測和試驗探究思想、歸納形成物理概念和物理規(guī)律思想、科學(xué)設(shè)想與建立物理模型思想、“時空”和“守恒”思想等等。第4頁第4頁二、關(guān)于物理辦法物理辦法：在研究物理規(guī)律過程中形成一系列科學(xué)辦法。其基本特性是：將經(jīng)驗（以試驗和觀測形式）與思維（以創(chuàng)造性構(gòu)筑理論和假說形式）有機結(jié)合，互相增進，推動物理學(xué)不斷發(fā)展。典型物理辦法有：§1物理思想與辦法概論物理辦法是物理思想詳細表現(xiàn)，是溝通思想、知識和能力橋梁。利用辦法過程同時也是思維過程。觀測法、試驗法、綜合法、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頁第5頁結(jié)識物理學(xué)思想是學(xué)好物理前提，因此，我們在學(xué)習(xí)物理過程中，始終要領(lǐng)略物理學(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)辦法，提升分析和處理物理問題能力是主線目的。我們在學(xué)習(xí)物理課程同時，不但要學(xué)習(xí)物理概念、物理規(guī)律，并且要學(xué)習(xí)研究物理問題辦法，努力汲取物理學(xué)精髓。掌握物理思想和研究辦法，對學(xué)習(xí)好物理含有重大意義?！?物理思想與辦法概論第6頁第6頁“科學(xué)是一個辦法。它教導(dǎo)我們：一些事物是如何被理解，什么事情是已知，現(xiàn)在理解到了什么程度，如何看待疑問和不擬定性，證據(jù)服從什么法則；如何思考事物，做出判斷，如何區(qū)別真?zhèn)魏捅砻娆F(xiàn)象”?！猂.P費曼“我從不迷信權(quán)威，但命運捉弄了我——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)一個科學(xué)思維辦法。正如一個古老故事所講那樣，學(xué)生從老師那里得到，應(yīng)當是一個點石成金法則

，而不是一堆金子。第7頁第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、修正與演變所涉及詳細思維模式及研究辦法概括起來可分為下列幾大類：從特殊到普通邏輯思維辦法將有限、特殊個別事實綜合起來研究，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)，詳細分析個別現(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、康普頓散射試驗驗證光粒子性，等等。從普通到特殊邏輯思維辦法第8頁第8頁三、類比從特殊到特殊邏輯思維辦法依據(jù)未知物理事實和已知事實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。非邏輯思維辦法在已知材料基礎(chǔ)上，通過思維組合而創(chuàng)造出新想法或假說。含有邏輯跳躍性，類似于猜想或頓悟。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?！?物理學(xué)中邏輯與思維四、科學(xué)想象所謂科學(xué)想象，是指無論新想法有多奇妙或聽上去多么合理，都必須接受可重復(fù)試驗驗證，不然就不能接受。如：磁荷假說至今未獲證實。第9頁第9頁五、自然友好法則物理學(xué)普遍指導(dǎo)思想物理學(xué)家認為：自然規(guī)律是能夠結(jié)識和把握，并且最基本自然規(guī)律應(yīng)含有統(tǒng)一性、對稱性、簡樸性等優(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，就是要從盡也許少假說或公理出發(fā)，通過邏輯演繹，概括盡也許多經(jīng)驗事實。邏輯上簡樸東西當然不一定就是物理上真實東西，但物理上真實東西一定是邏輯上簡樸東西，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頁第10頁注意：歸納、演繹、類比、想象（辦法論范圍）最后總要服從和歸結(jié)于自然友好法則（世界觀范圍），后者是物理學(xué)家基本追求和最高抱負。不同邏輯或思維方法之間往往經(jīng)常相互交叉、彼此滲透，不要做機械式套用。同窗們應(yīng)當在物理學(xué)習(xí)過程中、通過理解和掌握詳細物理理論及其產(chǎn)生和發(fā)展過程來體會上述思想是如何詳細表達。提議有興趣同窗閱讀一些物理學(xué)史方面書籍或材料?！?物理學(xué)中邏輯與思維第11頁第11頁一、動力學(xué)分析法物理學(xué)詳細包含力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、相對論、量子物理等內(nèi)容，分別從不同側(cè)面揭示物質(zhì)基本屬性和運動規(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)價值。下面介紹大學(xué)物理教學(xué)中可表達出一些最主要原理和方法。在進一步、精細地分析物質(zhì)系統(tǒng)各部分性質(zhì)和互相關(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)懷物理量建立關(guān)系方程并定量求解，從而得到該物理量時空分布所有信息?！@是應(yīng)用物理理論研究處理問題基本辦法。詳細如：“隔離體”法、微積分法等?！?大學(xué)物理中基本辦法第12頁第12頁二、疊加法諸多物理量都服從疊加原理（如運動疊加、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樸問題，先分別找出它們各自所滿足規(guī)律與關(guān)系，然后再通過疊加辦法得到本來較復(fù)雜問題所應(yīng)滿足規(guī)律與關(guān)系，進而得到解答。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)辦法結(jié)合起來應(yīng)用?！?大學(xué)物理中基本辦法在應(yīng)用前，首先必須先擬定疊加原理是否成立。比如：聲波傳播普通滿足疊加原理，但當聲強非常大（爆炸聲、沖擊波）時疊加原理就不成立了。第13頁第13頁三、守恒量分析法在各種物理系統(tǒng)和物質(zhì)運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），它們分別與詳細物理系統(tǒng)中相關(guān)物理量（如質(zhì)量、速度、場強、振幅等）有直接關(guān)系。通過整體把握系統(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，有助于抓住了問題某種本質(zhì)，且會極大地減少工作量、提升解答問題準確性?！?大學(xué)物理中基本辦法闡明：理論上說，上述守恒量在整個宇宙系統(tǒng)范圍內(nèi)總是守恒，但詳細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，可詳細分析造成其改變動力學(xué)原因，并列出兩者關(guān)系式，做出解答。第14頁第14頁四、對稱性分析法對稱性是物理學(xué)自然友好法則一個主要而深刻表達。常見對稱性：對稱性定義：將某個系統(tǒng)通過某種操作從一個狀態(tài)變成另一個狀態(tài)（又稱為：變換），假如與原狀態(tài)相比是完全相同或等價，則稱此系統(tǒng)對該變換是對稱，而相應(yīng)變換叫做此系統(tǒng)“對稱變換”。（魏爾定義）鏡像、轉(zhuǎn)動、平移、標度（尺度縮放）、置換、時間平移與反演、……對稱性原理：物理原因中對稱性必反應(yīng)所有表達于物理結(jié)果中，而結(jié)果中不對稱性亦必在原因中所有得以反應(yīng)。(因果關(guān)系判斷)§3大學(xué)物理中基本辦法第15頁第15頁兩點闡明：以上四種基本方法實際上是物理規(guī)律在不同層次上表達。在詳細分析和解答物理問題時，以上辦法應(yīng)依據(jù)問題特性，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，所涉及物理規(guī)律普通僅適合用于詳細問題所覆蓋領(lǐng)域。守恒量：側(cè)重宏觀上綜合歸納，所涉及物理量含有廣泛合用性，相應(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)與時空特性。§3大學(xué)物理中基本辦法第16頁第16頁一、兩點要求§4大學(xué)物理與數(shù)學(xué)假如把物理學(xué)所揭示物質(zhì)世界比方成一本大書話，那么這本大書一定是用數(shù)學(xué)語言寫成。如何把學(xué)到數(shù)學(xué)知識和技巧恰當?shù)乩玫轿锢韺W(xué)習(xí)、研究中，對諸多大學(xué)生是一個難題。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)翻譯解釋在此強調(diào)：數(shù)學(xué)符號、表示式、方程等一定要嚴格按規(guī)范要求書寫，并與其物理含義相一致。這是科學(xué)訓(xùn)練一項基本功。但物理意義是主線！第17頁第17頁二、大學(xué)物理中最主要兩個數(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，同窗們應(yīng)在中學(xué)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上，故意識地練習(xí)用這兩個數(shù)學(xué)工具來表述、推導(dǎo)、計算、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)要求中所涉及分析和處理物理問題基本思想和基本辦法，并通過必要歸納總結(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)運動規(guī)律所涉及最基本、最關(guān)鍵思想、觀點和辦法，為學(xué)生打下堅實物理基礎(chǔ)、提升科學(xué)素養(yǎng)發(fā)揮良好作用?！?關(guān)于“大學(xué)物理思想辦法選講”課程與“大學(xué)物理”課程相配合，同時開設(shè)選修課程，共32學(xué)時（2學(xué)分），分兩學(xué)期開設(shè)。第19頁第19頁三、教學(xué)要求課堂考勤：教師抽查，出勤學(xué)時不低于本學(xué)期總學(xué)時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)，須所有按要求完畢，不然無成績。成績評估：綜合前兩項及期末考察結(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)物理思想辦法選講”課程做好筆記，及時復(fù)習(xí)，適當練習(xí)。第20頁第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)物理解題辦法》（機械工業(yè)出版社，共二冊），鐘壽仙等主編《物理學(xué)思想辦法研究》（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)辦法》（北京大學(xué)出版社），王楚等主編《大學(xué)物理典型題解題思緒與技巧》（西安交大出版社），王小力編參考書第21頁第21頁——矢量性、瞬時性、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)點運動學(xué)——內(nèi)容提綱與基本要求3、運動學(xué)兩類基本問題處理辦法4、切向加速度與法向加速度2、