论物理学基本方法

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论物理学基本方法

物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式及相互作用规律的一门自然科学,是揭示大自然基本规律的学科之一。其研究的对象大到天体运动,小到微观粒子,最初是从力学运动规律的研究发展起来的,后来又研究了热分子的运动规律、电磁运动、光运动及辐射的规律。到19世纪末,物理学形成了一个完整的体系,称为经典物理学。20世纪,物理学又经历了一场伟大的革命,量子力学和相对论诞生了,被称为近代物理学。

物理学是自然科学的基础,在探讨物质结构和运动规律的进程中,每一次重大发现和突破都引发了新领域的发展,甚至产生了新的分支学科和新的技术学科。物理学有许多分支,力学、热学、光学、声学、电磁学、量子力学和微电子等,它对今天乃至未来的人类生活和科技发展都有很重要和紧密的联系。发射卫星、宇宙奥秘、石油探测、计算机芯片等都离不开物理学的基础作用,当今物理学和科学技术的发展是两种模式并存、相互交叉、相互促进的。“没有昨日的基础科学就没有今日的技术革命”——李政道在量子力学能带理论制造新材料报告中讲到。物理学是一门实验和理论高度结合的精确科学,从新的现象或实验事实中提炼出来上升到理论知识,或从原有原理中推演建立模型,用已知原理对现象作定性的解释,然后进行逻辑推理和数学演算得出新的理论。物理学教导人们:自然界是怎样被了解的,怎样对待疑问和不确定性,规律服从什么法则;.著名物理学家爱因斯坦说:发展独立思考和独立判断的能力,应当始终放在首位,而不应当把专业知识放在首位,如果一个人掌握了他的学科的基础理论,并且学会了独立思考和工作,他必定会找到自己的道路,而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来,他一定会更好地适应进步和变化。所以掌握物理的基本方法很重要,现在人们都开始慢慢用物理学的方法研究与自然科学无关的一些经济、、股票、金融、政治等领域,并取得令人称赞的成就。2000年,美国工程院评选出20项20世纪最伟大的工程,20项工程包括:电气化、汽车、飞机、自来水系统、微电子、无线电广播和电视等,他们直接或间接的都与物理学有关系,甚至在2005年,联合国命名为该年为国际物理年,这也是联合国历史上第一次以单一学科命名的年份。

物理学教学的最终目标是要求学生掌握基本解决自然问题的方法和规律。它的发展和探究,包括概念的建立和规律的发现、概括都需要物理逻辑思维的建立。物理的基本方法也是分析和解决物理问题的关键。因此掌握物理的基本方法,不仅向学生传播了知识,也培养了学生科学的思维方法,锻炼了其独立思考能力,这对学生个人发展起着很关键的作用。下面主要从以四个方面讨论物理的基本方法。

1. 从简单到复杂

自然界中的事物和现象都是错综复杂的,具有多面的特性. 所以在一定的现象中,并不是所有的条件、所有的性质都起着同等重要的作用时,为了使研究的问题大大简化, 采取暂时抓住主要、忽略次要的方法去解决问题,这种抽象的研

究方法在实践上和理论上都有很重要的意义,物理中把它叫做科学抽象法(理想化模型)。

如:力学中选取质点这一理想化模型为研究对象,即:忽略物体的大小和形状的变化,把物体当做一个有质量的点来处理。当所研究的运动物体不能视为质点时,可把整个物体看成是由许多个质点组成的,弄清这些质点的运动,就可以弄清楚整个物体的运动,所以研究理想化模型质点运动是宏观物质运动的基础。同样,在研究电磁运动规律的时候,也是引入一个理想化模型——点电荷,即:当带电体本身的线度比问题中所涉及的距离小很多时,带电体就可以近似看做点电荷。而带电体周围激发的电场可以看做由许多连续分布的点电荷激发的电场叠加而成。机械振动中也选取弹簧振子这一理想化模型去研究振动波动规律,等等。引入理想化模型研究自然科学规律是物理中最常用的方法,它具有一定的现实意义,:在一定范围内, 在要求误差允许的条件下, 可以把许多实际物体和现象抽象为理想化的模型来处理,从而使问题得以简化。

2. 从特殊到一般

在物理中先研究最为简单的运动规律,而任何复杂的运动都可以看作简单运动的合成。如:振动包括机械振动、血液的循环、生态的循环和消费指数的振荡等等,但是我们从最基本的一种振动形式开始研究——机械振动,例如心脏的跳动,钟摆的摆动,活塞的往复运动,固体中的原子振动等等,他们都属于机械振动。机械振动的规律是研究其他振动以及波动、波动光学和无线电技术等其他分支的基础,在生产技术发展中有着很重要的作用。而在机械振动中,我们主要研究最简单最特殊的一种振动——简谐振动,得出简谐振动的运动规律,其他复杂机械振动均可以看作简谐运动的合成。同样在力学中也是先得出最特殊匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速率圆周运动等的规律再类推到一般化运动。类似的还有忽略空气阻力的自由落体运动和抛体运动、弹性碰撞、等温过程、绝热过程、稳恒电流等。所以,由特殊到一般是人们认识世界的运行规律的基本方法之一,通过对特殊事物的认识与研究,形成对事物的认识,由浅入深,由特殊到一般,完成对自然规律的认识。

3.从现象到本质

在物理教学中,理论联系实际,从学生常见的物理现象或日常生活中所熟悉的生产、生活实践中出发, 指导学生通过观察、思考引入物理情景, 然后再进行总结、归纳, 从感性认识上升到理性认识, 从而形成正确的理论和物理知识。例如:在学习机械运动时,从乌龟在地上爬、人走路、汽车在公路上行驶、飞机在天空中飞行等日常所见的现象中,分析它们本质上的共同特性,即:它们的位置都随时间发生变化,进一步上升到理论知识得出机械运动的规律。又如:在日常生活中,人走路和汽车在公路上行驶很明显有不同,通过分析、对比发现他们的运动快慢程度不同, 从而引出速度这个物理量。再如:高层建筑为什么需要安装避雷针,美国著名魔术师为什么可以接受百万福特的电击,经分析,总结,归纳得出现象背后的本质就是导体处于静电平衡时电场电荷分布的物理知识。

4.类比推理法

类比推理法是物理中最常用的一种方法,即:从已知的事物去认识新的事物。惠更斯把光现象与声现象进行类比,根据声波能够发生反射、折射和衍射, 从而推出光也是一种波动, 提出了光的波动说,而后来德布罗意根据光的波粒二象性而提出微观粒子也具有波动性, 提出了物质波的概念,证实了光的波动性,这些都是物理学史上应用类比方法得出新的结论。法拉第相信磁同样能激发电,经过长达几年的实验最后得出变化的磁场周围存在电场,得出了电磁感应定律,而这一定律揭示了自然界电现象与磁现象之间的联系,为麦克斯韦电磁场理论的建立奠定了坚实的基础。同样在物理教学中, 把电场与重力场类比, 磁场与电场类比, 电流与水流类比, 转动与平动类比等等,得出新的知识和结论。在物理中,有很多对称的概念是可以通过类比得出,推动了物理学科的发展。