感受物理之美高中物理學習思想與方法課件

高中物理學習思想與方法2024年9月感受物理之美第一章：對稱及其應(yīng)用

物質(zhì)世界存在某些對稱性，如鏡像對稱、時間對稱、空間平移對稱、空間旋轉(zhuǎn)對稱等，物理學理論也具有相應(yīng)的對稱性.根據(jù)對稱性分析、研究物理規(guī)律和現(xiàn)象,以此解決物理問題的方法叫對稱法。

對稱性普遍存在于各種物理現(xiàn)象和物理規(guī)律中，例如，做簡諧振動的物體在平衡位置兩側(cè)的運動對平衡位置是對稱的，豎直上拋運動的上升階段和下降階段對最高點是對稱的，兩點電荷間的電場線對稱分布，兩相對磁極間的磁感線對稱分布，又如某些電路結(jié)構(gòu)的對稱性、平面鏡成像的對稱性，等等。感受對稱之美圖1-1-4圖1-1-6第二節(jié)：對稱在物理學發(fā)展史中作用2.1電磁學的發(fā)展史（1）奧斯特發(fā)現(xiàn)電生磁

早在1750年著名物理學家富蘭克林就已經(jīng)觀察到萊頓瓶放電可使鋼針磁化。一直到19世紀初,科學界仍然普遍認為電和磁是兩種獨立的作用。與這種觀念相反,丹麥的自然哲學家奧斯特接受了德國哲學家康德和謝林關(guān)于自然和力統(tǒng)一的哲學思想后，堅信電與磁之間一定有著某種聯(lián)系。經(jīng)過多年研究,他終于在1820年發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng):當電流通過導線時，引起導線近旁的小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)開拓了電與磁研究的新紀元。（2）法拉第發(fā)現(xiàn)磁生電

英國物理學家法拉第敏銳地察覺出了奧斯特發(fā)現(xiàn)的重要意義，他評價道:“它猛然打開了一個科學領(lǐng)域的大門，那里過去是一片漆黑，如今充滿了光明.”奧斯特的實驗誘發(fā)了法拉第一連串的思考:“電生磁這一現(xiàn)象的逆效應(yīng)是否存在?能不能用磁體在導線中產(chǎn)生電流呢?既然磁鐵可以使近旁的鐵塊感應(yīng)出磁,靜電荷可以使近旁的導體感應(yīng)出電荷？那么電流是否也可以使放在近旁的線圈感應(yīng)出電流?”在法拉第1822年的日記里,他記下了一個大膽設(shè)想:“由電產(chǎn)生磁、由磁一定能產(chǎn)生電”。

從此，他就開始了堅持不懈的艱苦探索。開始時,法拉第簡單地認為用強磁鐵靠近導線，導線中就會產(chǎn)生電流，或者在一根導線里通以強大的電流，在鄰近的另一根導線中也會產(chǎn)生電流。在接下來的10年的時間里，他做了大量的實驗,均以毫無結(jié)果而宣告失敗。

在1831年，法拉第把兩個線圈繞在一個鐵環(huán)上(圖1-2-2)，一個線圈接電源，另一個線圈接“電流表”。當給一個線圈通電或斷電的瞬間，在另一個線圈上出現(xiàn)了電流。他在1831年8月29日的日記中寫下了首次成功的記錄。法拉第從這個實驗中領(lǐng)悟到，“磁生電”是一種在變化、運動的過程中才能出現(xiàn)的效應(yīng)。于是，他又設(shè)計并動手做了幾十個實驗，使深藏不露的各種“磁生電”的現(xiàn)象顯現(xiàn)而出。尋找磁單極子1931年，英國物理學家狄拉克從理論上預言存在著只有一個磁極的粒子──磁單極子。根據(jù)磁單極子的理論，電和磁之間的對稱性將更加完美。這一動人的前景，吸引了一批又一批的物理學家，用各種方法，各種途徑去尋找磁單極子。但是在巖石中，在宇宙射線（即從宇宙空間飛來的粒子）中，以及在加速器實驗中竇沒有找到磁單極子。也有人推測，磁單極子也可能是在宇宙形成初期產(chǎn)生的，殘存下來的比較少，而且分散在廣袤的宇宙之中，要找到它并不容易。對稱高中物理中的應(yīng)用如圖，P是一塊均勻的半圓形薄合金片。先將它按圖1-4-4的方式接在電極A、B之間，測出它的電阻為R。再將它按圖1-4-5的方式接在電極C、D之間，試求此時P的電阻。第二章：等效思想

等效思想是研究和解決物理學問題的一種很重要的思想,其實質(zhì)是在效果相同的情況下,將較為復雜的實際問題變換為相對簡單的熟悉問題，以便突出主要因素，抓住問題本質(zhì)，找出其中規(guī)律.在應(yīng)用等效法時，往往是用較簡單的因索替代較復雜的因素，以使問題得到簡化而便于求解。

如力學中合力和分力的等效替代，運動學中合運動和分運動的等效替代，電學中的等效電阻、等效電容、等效電池等效電路，以及等效物理模型、等效物理過程等等。1.古人對等效的認知2.等效轉(zhuǎn)換法求變力做功

第三章：轉(zhuǎn)換思想

由于一些看不見，摸不著的物質(zhì)或物理問題，我們往往拋開事物本身，通過研究它們在自然界中表現(xiàn)出來的外顯特性、現(xiàn)象或產(chǎn)生的效果等間接地去認識事物的方法，通過對物理過程、物理狀態(tài)間接研究達到化繁為簡，化難為易,間接獲取問題解決的一種解決方法。

在物理問題中，往往遇到一些用常規(guī)方法難以解決的問題，如研究對象難以確定或研究對象不是理想模型(如質(zhì)點、點電荷等)，再如問題中所涉及的物理量是非線性變化量，無法用初等數(shù)學進行計算等情況。這時可以采取“微元化恒”，即將所研究的對象或者所涉及的物理過程，分割成許多微小的單元，從而將非理想物理模型變成理想物理模型；將曲面變成平面；將曲線變成直線；將非線性變量變成線性變量,甚至常量。然后選擇微小的單元，利用常規(guī)的方法進行分析和討論，能夠簡捷而迅速地得出結(jié)果。1．牛頓利用月-地檢驗間接地證明了萬有引力的正確性

開普勒發(fā)現(xiàn)行星運行規(guī)律后，人們開始思考：行星繞太陽運動背后的原因是什么？牛頓從牛頓運動定律出發(fā)，結(jié)合開普勒第三定律得出了行星運行的力學本質(zhì)。牛頓發(fā)現(xiàn)：行星與太陽之間引力與距離的平方成反比。2．加俐略從轉(zhuǎn)換思想出發(fā)，利用斜面實驗間接地研究了自由落體運動規(guī)律

在伽利略那個時代，由于物理研究工具簡陋，直接研究自由落體運動是非常困難的。于是，伽利略嘗試用轉(zhuǎn)換思想進行研究自由落體相似的運動。為了沖淡重力的影響，他設(shè)計了斜面實驗。讓小球從靜止開始沿斜面下滑，進而獲得了自由落體運動規(guī)律?？ㄎ牡显S實驗巧妙地利用了轉(zhuǎn)換思想

卡文迪許在設(shè)計扭稱實驗時就用到了轉(zhuǎn)換思想?？ㄎ牡显S扭秤發(fā)生扭轉(zhuǎn)后，引力對T形架的力矩與石英絲由于彈性形變產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩大小相等。只要測出石英絲扭轉(zhuǎn)力矩也就知道了引力力矩。在測量石英絲扭轉(zhuǎn)角度時也用到了轉(zhuǎn)換法。由于這個角度是非常小，直接測量是非常困難的，于是卡文迪許利用平面鏡反射光，通過光在刻度尺上移動的距離間接測出扭轉(zhuǎn)角度?？臻g立體轉(zhuǎn)換為平面

如圖所示：12個阻值都是R的電阻，組成一個立方體框架，試求AC間的電阻RAC、AB間的電阻RAB第四章：微元法

微元法又叫“微小變量法”。微元法體現(xiàn)了微分思想，是解物理題的一種常用方法.也是從部分到整體的思維方法。微元法解題體現(xiàn)了微分和積分的思想，考查學生學習的潛能和獨創(chuàng)能力微元思想在高中物理教材中有著廣泛應(yīng)用。

用該方法可以使些復雜的物理過程,用我們熟悉的物理規(guī)律迅速地加以解決，使所求的問題簡單化.在使用微元法處理問題時,需將其分解為眾多微小的“元過程”，而且每個“元過程”所遵循的規(guī)律是相同的，這樣，我們只需分析這些“元過程”，然后再將“元過程”用必要的數(shù)學方法或物理思想處理，進而使問題得解.使用此方法會加強我們對已知規(guī)律的再思考，從而起到鞏固知識、加深認識和提高能力的作用。中國古代劉徽的割圓術(shù)

我國三國時代的數(shù)學家劉徽的割圓術(shù)就是用圓的內(nèi)接正多邊形的周長無限接近圓周從而求出圓周率。先從圓內(nèi)接正六邊形起，再讓邊數(shù)成倍地增加，依次構(gòu)成圓內(nèi)接12、24、48、96...條邊的正多邊形，并逐個算出它們對應(yīng)的邊長。顯然，隨著圓內(nèi)接正多邊形邊數(shù)的增多，其面積會越來越接近整個圓的面積，其周長也會越來越接近圓的周長，這樣就可以確定圓周率的大小。劉微說:“割之彌細，所失彌少;割之又割，以至于不可割，則與圓周合體，而無所失矣”。意思就是說：割得越細，正多邊形與圓周的誤差也越小，這樣不斷分割下去，最后正多邊形近似與圓周重合，便就沒有誤差了。這就是古代數(shù)學史上著名的“割圓術(shù)”。2.牛頓和萊布尼茨的微積分什么叫微積分?微積分是一種數(shù)學方法。通俗地說，“微分”就是無限細分;“積分”就是對無限累加。微積分的創(chuàng)立,極大地推動了數(shù)學和物理的發(fā)展，過去很多用初等數(shù)學無法解決的問題，現(xiàn)在運用微積分，這些問題可以迎刃而解。所以說微積分是人類智慧的偉大成就之一，已成為現(xiàn)代數(shù)學的重要組成部分。如果把整個數(shù)學比作一棵大樹，那么初等數(shù)學就是樹根，各種數(shù)學分支是樹枝，而樹干的主要部分就是微積分?？梢娢⒎e分在數(shù)學中舉足輕重的地位。

狐貍以不變的速度沿著直線AB奔跑，獵犬以不變的速率追擊,其運動方向始終對準狐貍。某時刻狐貍在F處,獵犬在D處，F(xiàn)D⊥AB，且FD=L.如圖所示，試求此時獵犬運動加速度的大小。圖8-2-1某游樂園入口旁有一噴泉，噴出的水柱將一質(zhì)量為M的卡通玩具穩(wěn)定地懸停在空中。為計算方便起見，假設(shè)水柱從橫截面積為S的噴口持續(xù)以速度v0豎直向上噴出；玩具底部為平板(面積略大于S)；水柱沖擊到玩具底板后，在豎直方向水的速度變?yōu)榱悖谒椒较虺闹芫鶆蛏㈤_。忽略空氣阻力。已知水的密度為ρ，重力加速度大小為g。求：(ⅰ)噴泉單位時間內(nèi)噴出的水的質(zhì)量；(ⅱ)玩具在空中懸停時，其底面相對于噴口的高度。模型的建立

求解物理問題，很重要的一點就是迅速把所研究的問題歸納到學過的物理模型上來，即所謂的建模.尤其是對新情境問題,這一點就顯得更突出。

1.對象模型:即把研究對象的本身理想化，將實際物體在某種條件下進行近似與抽象，包括質(zhì)點、點電荷.輕繩或桿、光滑平面.輕質(zhì)彈簧.單擺、彈簧振子.彈性體.理想氣體、絕熱物質(zhì).理想電表.理想變壓。2.條件模型:把研究對象所處的外部條件理想化.排除外部條件中干擾研究對象運動變化的次要因人造衛(wèi)星的圓周運動、“人船模型”、雙星模型等。3.狀態(tài)模型:即把研究對象所處的狀態(tài)理想化，如共點力平衡狀態(tài)、杠桿平衡狀態(tài)、熱平衡狀態(tài)。4.過程模型:把具體物理過程純粹化、理想化后抽象出來的某種物理過程，稱為過程模型.例如：勻速直線運動、勻變速直線運動、勻速圓周運動、自由落體運動、豎直上拋運動、平拋運動、簡諧振動、簡諧波、彈性碰撞等。天體模型的建立歷程遠古的“天圓地方說”模型

遠古時代，人類祖先抬頭凝望日月星辰。夜晚的滿天繁星如同一個大鍋蓋籠罩著大地，于是便有了“天圓說”。同時，人們由于活動范圍的限制，認為地球是方的，因此便有了“地方說”。天空就像一個大碗倒扣在了大地上，日月星辰遍布在碗內(nèi)。亞里士多德的“地心說”模型

公元前4世紀，亞里士多德（公元前384-公元前322）提出了“地心說”。他認為，地球是宇宙的中心，日月星辰都在不斷繞地球運行，所有天體沿各自的圓軌道以不變的速率順著一個方向繞地球運動運行。

1.3托勒密的“周轉(zhuǎn)圓-均輪體系”模型

哥白尼的“日心說”模型開普勒模型

開普勒（1571-1630）用第谷的觀測結(jié)果去驗證哥白尼提出的“日心說”模型。遺憾的發(fā)現(xiàn)，第谷的觀測結(jié)果與“日心說”不符，但他堅信第谷的觀測數(shù)據(jù)是準確的。開普勒進一