牛頓力學(xué)的建立-成化高中

第三講物理學(xué)方法論大學(xué)物理專題講座主講人馮杰11/25/20241

第三講物理學(xué)方法論

物理學(xué)方法論概述物理學(xué)方法論概述五、分析與綜合七、假說三、比較、分類六、歸納與演繹八、數(shù)學(xué)方法九、物理學(xué)的理論體系十、物理量的定義法四、類比一、實驗方法

二、理想化方法(抽象)邏輯思維方法(自然)科學(xué)思維方法(自然)科學(xué)思維方法(自然)科學(xué)思維方法與邏輯思維方法結(jié)合科學(xué)方法11/25/20242一、實驗方法1、天然物理現(xiàn)象的實驗研究⑴作用：建立了人類古代的科學(xué)技術(shù)⑵原因：技術(shù)水平的限制；古代天文學(xué)、經(jīng)典力學(xué)…

某些天然現(xiàn)象純粹、直觀；比如，對“力”研究…

有些現(xiàn)象無法依賴模擬實驗；引力波…

天然實驗室的優(yōu)越性；太空實驗室，高山乳膠室哈勃太空望遠(yuǎn)鏡…物質(zhì)運動新消息中國、印度古代的天文學(xué)、光學(xué)；開普勒的天體力學(xué)等；牛頓、惠更斯的光學(xué)實驗，★天然物理現(xiàn)象的實驗仍然是天體物理學(xué)、天文學(xué)、高能物理、宇宙學(xué)等學(xué)科實驗的重要形式…11/25/202432、模擬物理現(xiàn)象的實驗研究⑴模擬物理實驗的特點●實驗對象可以人工控制——主動掌握實驗時間、地點、周期★伽里略比薩斜塔實驗★電磁學(xué)實驗中的電屏蔽●實驗對象可以人工控制——抓住關(guān)鍵、突出重點、排除干擾★光速的測定★風(fēng)洞實驗…傅科(1644~1710)旋轉(zhuǎn)鏡法邁克爾遜(1644~1710)干涉法菲索(1644~1710)旋轉(zhuǎn)齒輪法★高能物理實驗——基本粒子實驗…⑵

模擬物理實驗的作用：典型、高效、具有探索性、前瞻性勒麥(1644~1710)木星的衛(wèi)星蝕11/25/202443、實驗的類型⑴從研究對象：模擬實驗；天然實驗★遮貝克（德）溫差電實驗★勞厄（德）X射線衍射實驗★富蘭克林的雷電實驗★吳鍵雄驗證弱相互作用宇稱不守恒的實驗●定量探究實驗——★需要做精確的數(shù)量的測定；⑵從量化角度：定性與定量實驗●定性探究實驗——★不需要或不可能做量的測定；★空間彎曲實驗——理論計算光線彎曲1.7s1919英國兩個觀測隊：實驗測量值1.60±0.30s;1.98±0.12s11/25/20245⑶從科學(xué)方法：驗證型實驗與探究型實驗★帕斯卡對托里拆利實驗的解釋上帝厭惡真空？大氣壓的原因？●驗證型實驗★中學(xué)物理實驗★大學(xué)物理（普通物理）實驗的大部分以及各分科實驗●探究型實驗★法拉第電磁感應(yīng)實驗——探究磁生電流—實驗歸納法★盧瑟福的α粒子實驗——探究原子的結(jié)構(gòu)—實驗分析法★大部分近代物理實驗——實驗分析、綜合、演繹法★哈勃望遠(yuǎn)鏡；美、俄、中、歐等的太空飛船★電阻定律；歐姆定律實驗——控制變量法—實驗綜合法11/25/20246⑷分科實驗●物理教學(xué)上的實驗內(nèi)容★普通物理學(xué)：力、熱、光、電、原子物理實驗；●理論依據(jù)——基于歸納、分類的邏輯方法和循序漸進(jìn)的原則●實施形式——主要是驗證型實驗●實施目標(biāo)——★輔助、加深理解的驗證型實驗★學(xué)習(xí)基本實驗技能的驗證型實驗★學(xué)習(xí)基本實驗方法的驗證型實驗★培養(yǎng)科學(xué)方法的探究型實驗★微電子學(xué)（無線電）實驗★計算機(jī)(操作、語言)實驗★電工（電路）實驗★中級（近代）物理實驗★專業(yè)（技術(shù)、基礎(chǔ)理論）實驗：eg中學(xué)物理教學(xué)法實驗交流與討論：分科實驗的實施目標(biāo)是什么？11/25/20247二、理想化方法1、理想模型——純化物理對象⑴質(zhì)點；剛體；彈簧振子……⑵流線，理想流體，理想氣體；⑶點電荷，勻強(qiáng)電（磁場）；⑷光線，平行光，……2、理想過程及理想狀態(tài)——其內(nèi)外條件、特性的理想化⑴平衡態(tài)——內(nèi)部條件的理想化；⑵可逆過程——外部條件的理想化；⑶自由落體運動、無阻尼振蕩、完全彈性碰撞、穩(wěn)恒電流…——狀態(tài)特性的理想化

★“點電荷”的抽象條件？交流與討論：理想化方法有哪些類型？11/25/202483、理想方法的類型⑴研究對象的范圍和條件很接近理想狀態(tài)理想流體，氣態(tài)方程——氣體實驗的成立條件是什么？⑵研究對象與理想狀態(tài)有明顯的差距卡諾循環(huán)：兩個等溫過程和兩個絕熱過程——可逆實際的熱機(jī)：工質(zhì)溫度變化、排除；熱交換；摩擦——不可逆⑶超越現(xiàn)有條件，指出研究方向，預(yù)見新的事物理想晶體——“金胡須”的產(chǎn)生量子力學(xué)的計算表明：沒有缺陷的理想晶體的強(qiáng)度比技術(shù)材料大一千倍，如果減少金屬材料的缺陷，則其強(qiáng)度會大大提高。

11/25/202494、理想實驗——實驗情景的邏輯推理⑴實質(zhì)：按照實驗特點進(jìn)行的邏輯推理⑵特點：優(yōu)點和局限性①

沒有實驗誤差；②

可以超越當(dāng)時的技術(shù)水平：單電子槍實驗（1927—1949），時間膨脹實驗（1905—1971）；愛因斯坦與玻爾關(guān)于測不準(zhǔn)關(guān)系的理想實驗；③

突出主要因素，易于尋找規(guī)律④可能導(dǎo)致錯誤結(jié)論——伽利略慣性實驗，他當(dāng)時的推理是“慣性運動——運動方向不受力作用——不是勻速直線運動，而是圓周運動——地球上的物體……”★理想實驗又叫思維實驗、假想實驗11/25/202410★伽利略的錯誤在于他只注意到物體運動方向上不受力?！飸T性運動的前提是“物體不受任何力”，是笛卡兒慣性實驗！

⑶理想實驗的作用①

可以推翻不合理的理論，eg，關(guān)于自由落體的理想實驗；②

可以建立新理論，eg：慣性實驗否定力是物體運動的原因伽利略的錯誤推論11/25/202411三、比較、分類

1、比較的含義：找出研究對象之間的同一性和差異性。

2、比較的原則：⑴重點在于本質(zhì)的比較；⑵每次比較，標(biāo)準(zhǔn)要統(tǒng)一；⑶比較的結(jié)論只能在比較的范圍內(nèi)適用。★比如，干涉與衍射的比較；振動曲線與波動曲線的比較……

3、分類的含義：對感性認(rèn)識（材料）進(jìn)行整理的一種方法。

4、分類的原則：

⑴逐級分類；★比如，隔離體受力分析——力的分類；

⑵每次比較，標(biāo)準(zhǔn)要統(tǒng)一；

⑶窮盡原則?！锓駝t，容易遺漏?！锉热?，力的分類；運動(軌跡,受力與否)的分類……11/25/202412

1、類比的含義：用已知的現(xiàn)象和過程與未知的物理現(xiàn)象和過程相比較，找出它們的共同點、相似點或相聯(lián)系的地方。

⑴物理現(xiàn)象之間的類比★惠更斯聲波與光“波”的類比聲波——源：振動；聲速有限；球面波，空氣光“波”——源：振動；光速有限；球面波，以太⑵物理現(xiàn)象與其他事物的類比★湯姆孫的原子模型——用葡萄加蛋糕類比★盧瑟福的原子模型——用太陽系的行星結(jié)構(gòu)類比2、類比的形式：四、類比11/25/202413⑶數(shù)學(xué)形式的類比★庫侖定律★比奧——薩伐爾定律★萬有引力定律的平方反比率3、類比的作用：4、類比的局限性和類比關(guān)鍵★方向、路線；直觀；本質(zhì)不同，但數(shù)學(xué)形式可以相同；★學(xué)習(xí)方法簡單，研究方法簡便；11/25/202414五、分析與綜合

1、分析方法的含義：將研究對象分為若干部分、層次，逐步具體研究。★運動的分解；隔離體受力分析；★氣體實驗三定律的研究；★運動的分解；隔離體受力分析；

2、實驗分析方法與理論分析方法

3、分析方法與其他方法的同時運用★控制變量方法；分析方法11/25/2024151、綜合方法的含義：與分析方法相反，將研究對象分為各部分、各層次集合起來，考察研究。

2、大綜合與小綜合3、分析方法與綜合方法的辨證統(tǒng)一★伽里略對運動原因到慣性定律；★慣性定律到牛頓一定律，再到牛頓力學(xué)；★電學(xué)、磁學(xué)—奧斯忒—法拉第—麥克斯韋—電磁波、波波夫綜合方法★電磁感應(yīng)定律分析與綜合11/25/202416六、歸納與演繹

1、近代歸納法的創(chuàng)始人：英國哲學(xué)家培根（1561—1624）2、歸納法三步驟★搜集材料；★整理材料；★概括抽象4、現(xiàn)代歸納法數(shù)學(xué)基礎(chǔ)——概率統(tǒng)計3、歸納法在物理學(xué)研究中的應(yīng)用★機(jī)械能守恒定律的建立；牛頓對“虹”的研究……5、歸納法有局限性歸納方法11/25/202417

1、演繹法的含義：以某些基本規(guī)律或觀點作基礎(chǔ)（大前提），對個別的事物或現(xiàn)象（小前提）進(jìn)行推理，從而確定這些事物或現(xiàn)象具有的特性或規(guī)律（結(jié)論）2、演繹法的三段論★大前提★小前提★結(jié)論3、歸納法在物理學(xué)研究中的應(yīng)用★簡單的演繹：動能定理；動量能守恒定律的建立；4、歸納與演繹的辨證統(tǒng)一演繹方法★海王星的發(fā)現(xiàn)大前提：萬有引力定律正確而且適用于所有行星小前提：天王星是行星，也遵循萬有引力定律結(jié)論：天王星的軌跡攝動，應(yīng)當(dāng)是其他行星萬有引力定律的作用——海王星11/25/202418七、假說

1、假說的含義：是自然科學(xué)真理發(fā)展過程中的一個形式，是進(jìn)行科學(xué)研究的一種方法——科學(xué)研究中假定性的說法。2、物理學(xué)假說的三種類型★類型一：根據(jù)已知的科學(xué)原理和科學(xué)事實，對新事實進(jìn)行假定性的說明——安培的分子電流假說、麥?zhǔn)衔灰齐娏骷僬f；★類型二：根據(jù)已知的科學(xué)理論，進(jìn)行邏輯推演出可以預(yù)測新的現(xiàn)象——麥?zhǔn)想姶爬碚摰募僬f對電磁波的預(yù)言★類型三：不是根據(jù)已知的科學(xué)原理和科學(xué)事實，而是根據(jù)新事實，提出與已知的科學(xué)原理不相容的假定性說明——普朗克的量子假說；11/25/202419

3、物理學(xué)假說的客觀依據(jù)★對物理事實、物理理論在理論基礎(chǔ)上的邏輯推導(dǎo)運用歸納方法提出假說：氣體三定律、歐姆定律等運用演繹方法提出假說：中子β衰敗的中微子假說等運用類比方法提出假說：光波的多普勒效應(yīng)等運用綜合方法提出假說：萬有引力定律——開普勒實驗和理論方法、伽里略的邏輯推理方法、牛頓的數(shù)學(xué)演繹方法的結(jié)合等11/25/2024204、物理學(xué)假說的驗證和轉(zhuǎn)化★假說的雙重驗證：理論邏輯驗證；實驗驗證★假說的轉(zhuǎn)化：經(jīng)過理論邏輯驗證和實驗驗證即上升為理論（真理），否則，即為謬誤。5、假說的爭論推動物理學(xué)的發(fā)展★光的本質(zhì)的假說雙重驗證……11/25/2024211、數(shù)學(xué)的本質(zhì)與特點⑴本質(zhì)：各種運動形式在空間形式及其數(shù)量關(guān)系的概括。⑵特點：①高度的抽象性。eg：虛功原理

②邏輯上的嚴(yán)密性。eg：麥克斯韋方程組1、四個積分方程2、四個微分方程

八、數(shù)學(xué)方法交流與討論：數(shù)學(xué)的本質(zhì)是什么11/25/202422③數(shù)量上的精密性。eg：波動動力學(xué)方程加上初值條件和規(guī)范的邊界條件，可以嚴(yán)格求解④深刻上的辨證性。eg：極限——曲與直、微分——無窮小…增量趨于零→←無窮小的比值發(fā)生了質(zhì)變彈性力學(xué)的；電磁波的；量子的；2、數(shù)學(xué)是物理學(xué)的表述形式經(jīng)典力學(xué)牛頓三定律萬有引力定律四方面之特性之故胡克定律摩擦定律11/25/202423經(jīng)典電動力學(xué)麥克斯韋方程組物質(zhì)方程經(jīng)典熱力學(xué)經(jīng)典光學(xué)麥克斯韋方程組+矢量的疊加原理惠更斯——菲涅耳原理熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律11/25/2024243、數(shù)學(xué)是創(chuàng)立和發(fā)展物理學(xué)理論的主要工具實驗→思維方法→數(shù)學(xué)工具→物理學(xué)理論→實驗檢驗→…牛頓力學(xué)的建立——微積分；開普勒三定律——開普勒對天文觀測資料的數(shù)學(xué)分析：解析幾何熱學(xué)的熵的概念——

經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)；經(jīng)典電磁理論——法拉第的實驗，麥克斯韋的數(shù)學(xué)概括；經(jīng)典波動光學(xué)的惠更斯—菲涅耳原理——基爾霍夫積分公式；量子力學(xué)的數(shù)學(xué)工具——群論（比如，酉空間、對易關(guān)系…）；廣義相對論的時空關(guān)系——

黎曼空間幾何學(xué)；微觀、渺觀——宇觀、脹觀的數(shù)學(xué)困惑…4、物理學(xué)理論的應(yīng)用要借助數(shù)學(xué)工具麥克斯韋的電磁波預(yù)言

←變化的磁場生電場；←變化的電場生磁場11/25/202425彈性力學(xué)的沖擊波；電子線路的設(shè)計；原子能技術(shù)航天技術(shù)；導(dǎo)彈技術(shù)；阿波羅登月計劃；計算機(jī)技術(shù)…原子能的利用→←愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系5、物理學(xué)促進(jìn)數(shù)學(xué)的發(fā)展⑴物理學(xué)的需要是數(shù)學(xué)發(fā)展的一個源泉⑵運用數(shù)學(xué)工具研究物理學(xué)，也推動著數(shù)學(xué)發(fā)展⑶為數(shù)學(xué)理論提供了實踐的檢驗定量的計算；解決精確描述的問題；——天文學(xué)、航海機(jī)械力學(xué)、熱機(jī)效率問題；…①

連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、場論（熱傳導(dǎo)、電場、磁場、重力場）促進(jìn)了偏微分方程的發(fā)展；②

分子理論推動了概率論和隨機(jī)過程理論的發(fā)展；…關(guān)于復(fù)數(shù)的話題11/25/202426幾個基本概念—————導(dǎo)出概念

幾個原理（公理）———定理（除原理以外的其它定律）2、理論體系的構(gòu)成方法1、理論體系的形成方法邏輯導(dǎo)出邏輯推理九、物理學(xué)的理論體系的建立方法11/25/2024271、什么是定義：

揭示概念內(nèi)涵的邏輯方法⑴

定義的邏輯程序——⑵定義的思維程序——基本概念—基于實踐，人為規(guī)定；導(dǎo)出概念—形式邏輯來定義；2、定義應(yīng)當(dāng)遵循的原則⑴

不能與客觀事實、客觀規(guī)律相矛盾⑵要反映事物的本質(zhì)⑷

不能是人為的杜撰實踐中、應(yīng)用中可用可行。比如：⑶定義要全面——定性（本質(zhì)）；定量（關(guān)系）形式通俗的說，就是用已邏輯：知的去定義未知的。定義的作用舉例—分析—概括—抽象—下定義

↑簡諧振動十、物理量的定義法11/25/2024283、基本概念物理量的定義方法⑴定性

定義

人為規(guī)定物質(zhì)或運動的某一基本的屬性。

比如，“力是物體之間的相互作用”；“力是改變物體運動狀態(tài)的原因”；……⑵定量

定義

——操作性定義：人為規(guī)定單位標(biāo)準(zhǔn)和定量計算式力的單位：牛頓，簡稱“?！保⑽目s寫：N力的定義式：⑶注意：基本概念物理量

——基本量與國際單位制七個基本量是不同的。位移的定義式：11/25/2024294、導(dǎo)出概念物理量的定義方法⑴定性

定義由基本概念物理量按形式邏輯的法則；反映物質(zhì)或運動的某一方面的本質(zhì)特性。

比如，“速度是描述物體運動快慢的物理量”；“速度是位移對時間的變化率”；……⑵定量

定義

定量計算式由一定的實驗規(guī)律得出；反映導(dǎo)出概念物理量與已知量之間的邏輯關(guān)系。比如，⑶需要注意的問題①不能隨意地導(dǎo)出概念物理量比如，加速度的定義式是矢量式，而不是

標(biāo)量式。如果是標(biāo)量式，則在勻速圓周運動中，牛頓第二定律將不成立，因為，11/25/202430②物理量定量式的選擇原則上是任意的。——比值定義法、實驗規(guī)律——數(shù)學(xué)演繹法、實驗規(guī)律③定量式要反映出方向性質(zhì)即是標(biāo)量、矢量、還是張量？——控制變量法、實驗歸納標(biāo)量：是零階張量，有=1個元素①標(biāo)量：……②雙向標(biāo)量:電流強(qiáng)度I……矢量：是一階張量，有=3個元素張量：二階張量，有=9個元素三階張量，有=27個元素①不規(guī)則物體的轉(zhuǎn)動慣量②各向異性介質(zhì)的電、光效應(yīng)…①各向異性介質(zhì)的；②非線性光學(xué)效應(yīng)…；①“真”矢量：……②“贗矢量”：反對稱二階張量11/25/2024315、形式邏輯對導(dǎo)出概念的定義原則⑴不能太寬或窄：定義者的外延必須與被定義者的外延相等

理想氣體內(nèi)能～氣體內(nèi)能⑵不能是否定判斷

一般不用“不是”，而用“是”……

比如，雖然“熱量不是物體內(nèi)分子熱運動的能量”表述正確，但是，不能作為定義！定義應(yīng)當(dāng)表述為：“熱量不是……⑶不能是一個比喻比如：電容是導(dǎo)體容納電荷的能力⑷不能循環(huán)或同義反復(fù)“能量是物體具有做功的本領(lǐng)，功是能量變化的量度”——相互包含……11/25/202432⑶“臨近屬”：相對于種，同一級屬稱為“臨近屬”。

比如，彈力、摩擦力是臨近屬，6、邏輯學(xué)關(guān)于“分類”的幾個概念⑴“種”、“屬”：大類包含幾個小類屬種上一級種變成下一級屬⑵“種差”：種之間的差別⑷“種”之和應(yīng)當(dāng)是“屬”的全部(外延)。11/25/2024337、形式邏輯定義法及常見的定義公式⑴內(nèi)涵定義法例1：只用數(shù)值就能完全確定的物理量稱為標(biāo)量

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種差:窄的外延臨近屬定義①種差加臨近屬定義法“物理量”是“標(biāo)量”的臨近屬，“只用數(shù)值就能完全確定”