中学物理中的思想方法
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物理问题解决的策略王正立所谓问题解决的策略,是指解决问题的人用来调节他们自己的注意力、学习、回忆和思维的技能。
本文从物理解题思路的形成,解题过程中具体思维方法的运用和特殊的物理解题技巧这三个方面对物理问题解决策略进行了探讨。
一、两条基本的解题思路所谓解题思路,就是解题时的思考路线。
物理题千变万化,不可能有一个统一的解答方法,但是掌握了解题基本思路就如同在开启千变万化的“锁”时,找到了一把“万能钥匙”。
1、顺推法顺推法是一种从已知到未知的方法。
从题目给出的条件入手,根据它们之间的关系以及题意和规律,解答出一些小问题,然后再将这些小问题进行综合,逐步推导出所求的未知量来。
(1)从题目给出的条件入手,运用所学过的物理概念、定律、推导出一个或几个新的物理量;(2)将导出的物理量同其他已知量建立关系,或者在已导出的物理量之间建立关系,再求出另一个或几个新的未知量来,一直到得出题目所求量为止。
2、逆推法逆推法是一种从未知到已知的方法。
从待求的量本身出发,不断设问,逐步向前逆推到已知条件,最后再返回到结论,求出结果。
(1)从回答题目所求直接入手,在我们学过的物理公式中找出一个适当的公式,将题目所求表示出来。
(2)观察母式右端是否有未知量,若没有,将已知量代入母式就得到所求结果;若还有,则将这一个(或几个)未知量从母式中提出,作为新的未知量。
(3)再从学过的物理定律和公式中,根据题意和已知条件找出一个(或几个)新的公式,将提取出来的未知量表示出来。
(4)如此重复推演下去,直到等式右端全部为已知量为止。
采用顺推法解题,利用相似性战略向目标推进,对于较简单的题目,形成思路比较顺利、轻松;但对于较复杂的问题,用逆推法考虑问题就有章法可循了,它把一个大目标分解为各种小目标,从而一个个解决。
因此,在解决问题时,两种方法要综合考虑,选择合适的方法。
二、解题常用的科学思维方法科学的思维方法不仅在建立物理概念,发现物理规律中起着重要的作用,在物理问题解决活动中更是离不开科学的思维。
物理学中常用的几种科学思维方法物理教学中不仅要注重基础知识、基本规律的教学;更应加强对学生进行物理学研究问题和解决问题的科学思维方法的指导与训练。
英国哲学家培根说过:“跛足而不迷路,能赶过虽健步如飞,但误入歧途的人”。
学习也是这样,只有看清路,才能少走或不走弯路。
可见,掌握物理学科的特点,熟悉物理研究问题和解决问题的方法是至关重要的。
学好中学物理,不只是一个肯不肯用功的问题,它还有一个方法问题,掌握正确的思路和方法往往能起到事半功倍的效果。
1.模型法.物理模型是一种理想化的物理形态,将复杂的问题抽象化为理想化的物理模型是研究物理问题的基本方法。
科学家通常利用抽象化、理想化、简化、类比等把研究对象的物理学本质特征突出出来,形成概念或实物体系,即为物理模型。
模型思维法就是对研究对象或过程加以合理的简化,突出主要因素忽略次要因素,从而解决物理问题的方法。
从本质上说,分析物理问题的过程,就是构建物理模型的过程。
通过构建物理模型,得出一幅清晰的物理图景,是解决物理问题的关键。
实际中必须通过分析、判断、比较,画出过程图(过程图是思维的切入点和生长点)才能建立正确合理的物理模型。
2.等效法.当研究的问题比较复杂,运算又很繁琐时,可以在保证研究对象的有关数据不变的前提下,用一个简单明了的问题来代替原来复杂隐晦的问题,这就是所谓的等效法。
在中学物理中,诸如合力与分力、合运动与分运动、总电阻与各支路电阻以及平均值、有效值等概念都是根据等效的思想引入的。
教学中若能将这种方法渗透到对物理过程的分析中去,不仅可以使问题的解决变得简单,而且对知识的灵活运用和知识向能力转化都会有很大的促进作用。
3.极端法.}所谓极端法,就是依据题目所给的具体条件,假设某种极端的物理现象或过程存在并做科学分析,从而得出正确判断或导出一般结论的方法。
这种方法对分析综合能力和数学应用能力要求较高,一旦应用得恰当,就能出奇制胜。
常见有三种:极端值假设、临界值分析、特殊值分析。
浅议物理学中蕴含的学科思想和研究物理学的基本方法“每一个时代的理论思维,都是一种历史产物,在不同的时代具有非常不同的形式,并因而具有不同的内容”。
随着新课程改革的推广,培养学生的能力,特别是学生的创新能力,越来越引起教育工作者的高度重视。
教学过程由原来的教师教什么,学生学什么,逐渐向自主、合作、探究的学习过程转变,也就是说教学过程应该而且必须成为在教师的组织引导下,学生通过自主、合作、探究知识,发展潜能,形成科学的世界观、人生观和价值观的过程。
因此各门学科应该重视学科思想和方法的渗透,如果一个人具备了相应的学科思想,获得了学科研究的方法,就会具备创新的能力和终身学习的动力。
物理学就其发展而言,与数学、哲学、化学、艺术等有着密切的联系,因而蕴含着丰富的学科思想和方法。
一、物理教学中蕴含的学科思想1.物理学中蕴含的哲学思想物理学和哲学相互促进相互发展,物理学为哲学思想的建立提供了事实依据,哲学对物理学的发展具有指导作用。
物理学的教学过程就是以观察和试验为基础,进行科学的分析和抽象,归纳得到规律性的认识,然后再把规律运用到实践中去,正是实践——理论——再实践的辩证唯物主义的认识论。
2.物理教学要使学生树立辩证的思想,学会“一分为二”的看问题物理学毕竟与哲学不同,教学中不能刻意去追求,应该蕴辩证法于教学过程中。
如在教学《导体和绝缘体》一节时,教师一开始可以创设情景设置如下疑问:能否用塑料做导线的芯?然后指导学生围绕这一问题进行实验,研究哪些物体容易导电,哪些物体不容易导电。
从而学生把物体分成两类:导体和绝缘体。
此时要提示学生课堂一开始提出的疑问,学生自然会明白塑料是绝缘体,不能做导线的芯。
然后教师演示玻璃达到红炽状态导电的实验,得出绝缘体和导体没有绝对界限,条件改变了绝缘体就可以导电了,再问塑料能否做导线的芯?学生自然有了更深的认识。
再介绍压电陶瓷、导电塑料等新型的导电材料。
这样在潜移默化中渗透了辩证的思想,而且还能激发学生强烈的求知欲,有助于学生创新思维的培养。
物理思想方法物理学中的思想方法,是求解物理问题的根本所在。
认真研究总结物理学中的思想方法、策略技巧,并能在实际解题过程中灵活应用,可收到事半功倍的效果。
物理学中的思想方法很多。
有:图象法、等效转化法、极限思维方法、临界问题分析法、估算法、对称法、微元法、构建物理模型法、猜想与假设法、整体和隔离法、寻找守恒量法、引入中间变量法、控制变量法、类比分析法、统计学思想方法、逆向思维法、平均值法、比例法、解析法……。
至于常用到的函数思想、方程思想、概率思想等,则属于数学思想,不在我们讲述的范畴。
所谓的思想方法,是指在处理物理问题中所用到的具有条理性、抽象性、解析性、技巧性的思维方法与技巧。
它的条理性,表现为它是严谨和规范的。
它的抽象性,表现为它具有提升和精炼思维的作用。
它的解析性,表现为它具有启发和解释问题的作用。
所谓技巧性,表现为它具有简化和方便的作用。
思想方法本身,是主观的,能反应人的思维质量和思维技巧,带有很大的个性倾向,与个人的风格和思维习惯相关,可以个人独创。
但一些好的思想方法,被多数人认可,可以共享。
高中物理中的力学,也只能学的一般,用心学,才能学的优秀。
所谓用力的学,可理解为单纯的、机械的学知识,那么用心的学,则是学思想方法、学物理哲学。
思想方法、物理哲学是由于物理知识深刻性的引发,而升华到“方法”、“哲学”层面上的认识。
在此层面上学习物理,回头看一些具体的物理知识层面的问题时,会有“居高临下”的感觉,能给物理规律以更深刻、更准确的理解,以致提高人看问题的敏锐性和正确性。
实验观察法、假设法、极限思维法、类比分析法、控制变量法、图像法、逆向思维法、建立物理模型法、数学演变法等。
在高中物理教学中我们也经常通过概念、规律、物理模型、数学工具所谓的思想方法,是指在处理物理问题中所用到的具有条理性、抽象性、解析性、技巧性的思维方法与技巧。
它的条理性,表现为它是严谨和规范的。
它的抽象性,表现为它具有提升和精炼思维的作用。
初中物理思维方法〔精选7篇〕篇1:初中物理思维方法 (1)方法迁移。
初学物理,你会读到《摆的故事的启示》,同时,你第一次接触了利用控制变量法“研究影响摆的周期的因素”。
渐渐地,你从“研究声音的音调跟哪些因素有关”、“比拟物体运动快慢”等实验中,领会了控制变量法的真谛,而这个方法是贯穿于初中物理学习的始终,可以这样说,你掌握了这种方法,你的初中物理学习就成功了一半。
学习光的传播规律,老师教你画光线表示光的传播途径和方向,可真的有“光线”吗?当然没有,只有“光”,没有“线”,物理学中为了研究的方便而假想的。
你明白了这一点,就知道“磁感线”、高中的“质点”、“电场线”也是“建立物理模型”了。
曹冲称象的故事流传至今,曹冲很聪明的运用了“等效替代”这个物理思想,船上所放石头的重力就等于大象的重力,“化整为零”,解决了没有大称的难题。
“合力”、“总电阻”等概念也都运用了这个方法。
初中物理中“路程-时间”图像是学习高中运动力学图像和其他图像的根底。
初中物理是为高中物理、大学物理打根底的,所以你还要学会以下研究方法:累积法、类比法、比拟法、归纳法、图像法、列表法等。
(2)知识迁移。
物理课程系统分为五个部分:力学、热学、光学、声学、电学。
除了光学相对独立,其他内容都是密不可分的整体,物质、运动、能量把它们牢牢地捆在一起。
要从整体上把握物理教材,明确知识在本单元、本册教材、知识系统中的地位,注意前后联络。
.重视知识应用物理从生活中来,必然要回归生活,要学会运用物理知识解决学习、生活、消费中的实际问题。
(1)回归生活。
家里突然停电了,你还会像小时候那么害怕吗?八成是保险丝烧掉了,快去看看。
百米赛跑时,为何要求计时员看到枪冒烟开场计时,而不是听到枪声计时?你学了光速比声速大很多,计算一下,就明白了。
为什么汽车刹车后还要行驶一段间隔 ?在雨雪天气路滑时,如何减小交通事故的发生?这与惯性、摩擦有关。
如何判断戒指是否纯金?测量质量与体积,计算密度,查密度表比照吧!随着物理学习的深化,你会豁然明朗,生活到处是物理谜语,等待你去解开。
物理学习中常用思维六法1.从现象到本质物理学习首先要注意结合教材实际,注重从常见的物理现象或学生所熟悉的生产、生活实例出发,通过观念、实验引入思维场景,进而分析、归纳,逐步从感性认识上升到理性认识,以形成正确的观念和物理认识。
例如学习机械运动时,从乌龟在地上爬,人走路,汽车在公路上行驶,飞机在天空中习,这些表面差异极大的现象中,比较出它们本质上的共同特征,领悟到它们的位置都随时间在跟另外一些物体的位置发生变化,从而建立起机械运动的概念。
在学习速度概念时,仍可从上面的例子出发,通过分析、比较,发现它们虽同属机械运动,但毕竟有明显的区别,这区别就在于运动时快慢程度不同,从而引出速度这个物理量。
实践证明,这种积极的思维活动,有助于对物理基础知识的理解和掌握。
当然,激发思维兴趣,调动思维积极性还要善于突破思维定势,学生在生活中常常会形成一些错误观念,这些错误的认识往往在学生头脑中形成思维定势。
在学习中,应结合教材,有的放矢地加以纠正。
例如学过力的概念后,分析被投掷在空中的铅球受力的情况,很多学生常常会多出一个手对铅球的推力来,这时不要马上否定学生的回答,而是启发学生分析这个推力的由来,弄清施力物体是哪个,是通过怎样的形式施加的,让学生领会到在空中的铅球是找不到这个推力的,从而自己来否定推力的存在。
这样诱导激励,便打破了思维定势,纠正了学生错误概念,加深了对正确概念的理解。
2.从形象到抽象从思维发展的阶段看,初中生正处在从形象思维向抽象思维逐步过度的阶段。
在学习中,除了发展形象思维外,还应培养抽象思维的能力。
客观存在的事物、现象,往往是错综复杂的。
由于它处于多种条件下而具有多方面的特性。
然而,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,因此,为了便于研究,采取暂时舍弃个别的、非本质的因素,突出主要因素的方法,这种科学的处理方法(理想化方法)叫做科学的抽象。
科学的理想化,是根据大量的物理现象和实验事实,经过分析、想象等思维活动,对现实进行的一种高度抽象和概括。
高中物理复习:解答物理问题的10种思想方法专题概述现如今,高考物理愈来愈注重考查考生的能力和科学素养,其命题愈加明显地渗透着对物理思想、物理方法的考查.在平时的复习备考过程中,物理习题浩如烟海,千变万化,我们若能掌握一些基本的解题思想,就如同在开启各式各样的“锁”时,找到了一把“多功能的钥匙”.思想方法1:整体法、隔离法1.整体法和隔离法的选用原则(1)如果动力学系统各部分运动状态相同,求解整体的物理量优先考虑整体法;如果要求解系统各部分的相互作用力,再用隔离法.(2)如果系统内部各部分运动状态不同,一般选用隔离法.2.在比较综合的问题中往往两种方法交叉运用,相辅相成,两种方法的取舍,并无绝对的界限,必须具体问题具体分析,灵活运用.如图所示,质量均为m 的斜面体A 、B 叠放在水平地面上,A 、B 间接触面光滑,用一与斜面平行的推力F 作用在B 上,B 沿斜面匀速上升,A 始终静止.若A 的斜面倾角为θ,下列说法正确的是( )A .F =mg tan θB .A 、B 间的作用力为mg cos θC .地面对A 的支持力大小为2mgD .地面对A 的摩擦力大小为F解析:B 以B 为研究对象,在沿斜面方向、垂直于斜面方向根据平衡条件求得F =mg sin θ,支持力N =mg cos θ,故A 错误,B 正确;以整体为研究对象,根据平衡条件可得地面对A 的支持力大小为F N =2mg -F sin θ,地面对A 的摩擦力大小为f =F cos θ,故C 、D 错误.思想方法2:估算与近似计算1.物理估算题,一般是指依据一定的物理概念和规律,运用物理方法和近似计算方法,对所求物理量的数量级或物理量的取值范围,进行大致的、合理的推算.物理估算是一种重要的方法,有的物理问题,在符合精确度的前提下可以用近似的方法便捷处理;有的物理问题,由于本身条件的特殊性,不需要也不可能进行精确计算.在这些情况下,估算就很实用.2.估算时经常用到的近似数学关系(1)角度θ很小时,弦长近似等于弧长.(2)θ很小时,sin θ≈θ,tan θ≈θ,cos θ≈1.(3)a ≫b 时,a +b ≈a ,1a +1b ≈1b. 3.估算时经常用到的一些物理常识数据解题所需数据,通常可从日常生活、生产实际、熟知的基本常数、常用关系等方面获取,如成人体重约600 N ,汽车速度约10~20 m/s ,重力加速度约为10 m/s 2……引体向上是中学生体育测试的项目之一,引体向上运动的吉尼斯世界纪录是53次/分钟.若一个普通中学生在30秒内完成12次引体向上,该学生此过程中克服重力做功的平均功率最接近于( )A .5 WB .20 WC .100 WD .400 W解析:C 学生体重约为50 kg ,每次引体向上上升的高度约为0.5 m ,引体向上一次克服重力做功为W =mgh =50×10×0.5 J =250 J ,全过程克服重力做功的平均功率为P =nW t=12×250 J 30 s=100 W ,故C 正确,A 、B 、D 错误. 思想方法3:控制变量法在比较复杂的物理问题中,某一物理量的变化可能与多个变量均有关,定性分析或定量确定因变量与自变量的关系时,常常需要用到控制变量法,即先保持其中一个量不变,研究因变量与另外一个变量的关系,如研究加速度与质量和合外力的关系时,先保持物体的质量不变,研究加速度与合外力的关系,再保持合外力不变,研究加速度与物体质量的关系,最终通过数学分析,得到加速度与质量和合外力的关系.如果有三个或三个以上的自变量,需要控制不变的量,做到变量每次只能有一个.在研究球形固体颗粒在水中竖直匀速下沉的速度与哪些因素有关的实验中,得到的实验数据记录在下面的表格中(水的密度为ρ0=1.0×103 kg/m 3). 次序固体颗粒的半径 r /(×10-3 m) 固体颗粒的密度 ρ/(×103 kg ·m -3) 匀速下沉的速度 v /(m ·s -1) 10.50 2.0 0.55 21.002.0 2.20 31.502.0 4.95 40.50 3.0 1.10 51.00 3.0 4.40 60.50 4.0 1.65 7 1.00 4.0 6.60 颗粒的半径r 的关系:v 与________(填“r ”或“r 2”)成正比.(2)根据以上1、4、6组实验数据,可知球形固体颗粒在水中匀速下沉的速度v 与水的密度ρ0、固体的密度ρ的关系:v 与________(填“ρ”或“ρ-ρ0”)成正比.(3)综合以上实验数据,推导球形固体颗粒在水中匀速下沉的速度与水的密度、固体的密度、固体颗粒的半径的关系表达式v =________,比例系数可用k 表示.解析:(1)由控制变量法容易得出,当ρ一定时,从表格中1、2、3组数据可以得出结论:v ∝r 2.(2)观察表格中的1、4、6组数据,当r 一定时,v 和ρ的关系难以立即判断,因此需要换个角度考虑.当r 一定时,在每个ρ值后都减去1.0×103 kg/m 3(即水的密度),得到的数值与v 成正比,即v ∝(ρ-ρ0).(3)综合以上实验数据,可推导出球形固体颗粒在水中匀速下沉的速度与水的密度、固体的密度、固体颗粒的半径的关系表达式:v =kr 2(ρ-ρ0),k 为比例系数.答案:(1)r 2 (2)ρ-ρ0 (3)k (ρ-ρ0)r 2思想方法4:对称思想对称是一种美,只要对称,必有相等的某些量存在.对称法是从对称的角度研究、处理物理问题的一种思维方法,时间和空间上的对称,表明物理规律在某种变换下具有不变的性质.用这种思维方法来处理问题可以开拓思路,使复杂问题的求解变得简捷.高中物理中的对称主要有受力对称和运动对称.电场中等量电荷产生的电场具有对称性,带电粒子在匀强有界磁场中的运动轨迹具有对称性,简谐运动和波在时间和空间上具有对称性,光路具有对称性……解题时,要充分利用这些特点.如图所示,挂钩连接三根长度均为L 的轻绳,三根轻绳的另一端与一质量为m 、直径为1.2L 的水平圆环相连,连接点将圆环三等分,在轻绳拉力作用下圆环以加速度a =12g 匀加速上升,已知重力加速度为g ,则每根轻绳上的拉力大小为( )A.512mg B .59mg C.58mg D .56mg 解析:C 设每根轻绳与竖直方向的夹角为θ,由几何关系可知sin θ=0.6,则cos θ=0.8;对圆环进行受力分析,由牛顿第二定律有3T cos θ-mg =ma ,解得T =58mg ,故选C. 思想方法5:分解思想有些物理问题的运动过程、情景较为复杂,在运用一些物理规律或公式不奏效的情况下,将物理过程按照事物发展的顺序分成几段熟悉的子过程来分析,或者将复杂的运动分解成几个简单或特殊的分运动(如匀速直线运动、匀变速直线运动、圆周运动等)来考虑,往往能事半功倍.某弹射管每次弹出的小球速度相等.在沿光滑竖直轨道自由下落过程中,该弹射管保持水平,先后弹出两只小球.忽略空气阻力,两只小球落到水平地面的( )A .时刻相同,地点相同B .时刻相同,地点不同C .时刻不同,地点相同D .时刻不同,地点不同解析:B 弹射管沿光滑竖直轨道自由下落,向下的加速度大小为g ,且下落时保持水平,故先后弹出的两只小球在竖直方向的分速度与弹射管的分速度相同,即两只小球同时落地;又两只小球先后弹出且水平分速度相等,故两只小球在空中运动的时间不同,则运动的水平位移不同,落地点不同,选项B 正确.思想方法6:数形结合的思想数形结合的思想,就是把物体的空间形式和数量关系结合起来进行考查,通过“数”与“形”之间的对应和转化来解决问题的思想,其实质是把抽象的数学语言、数量关系与直观的图形结合起来,把抽象思维和形象思维结合起来.数形结合的思想,一方面可以以“形”助“数”,实现抽象概念与具体形象的联系与转化,化抽象为直观,化难为易;另一方面可以以“数”解“形”,可以由数入手,将有些涉及图形的问题转化为数量关系来研究,对图形做精细的分析,从而使人们对直观图形有更精确、理性的理解.一弹簧秤的秤盘质量为m 1,盘内放一质量为m 2的物体,弹簧质量不计,其劲度系数为k ,系统处于静止状态,如图所示.t 0时刻给物体施加一个竖直向上的力F ,使物体从静止开始向上做加速度为a 的匀加速直线运动,经2 s 物体与秤盘脱离,用F N 表示物体与秤盘间的相互作用力的大小,已知重力加速度大小为g ,则下列F 和F N 随时间变化的关系图像正确的是( )解析:C 对秤盘和物体整体分析,系统处于静止状态时,弹簧形变量为x 0,利用牛顿第二定律得,kx 0=(m 1+m 2)g ,F +kx -(m 1+m 2)g =(m 1+m 2)a ,又x =x 0-12a (t -t 0)2,解上述两式得F =(m 1+m 2)a +12ka (t -t 0)2,所以选项A 、B 错误;以物体为研究对象,物体静止时,F N =m 2g ,运动后对秤盘受力分析,利用牛顿第二定律得kx -m 1g -F N =m 1a ,F N =m 2g -m 1a -12ka (t -t 0)2,所以选项C 正确,D 错误. 思想方法7:特殊值法与极限法在中学物理问题中,有一类问题具有这样的特点,如果从题中给出的条件出发,需经过较复杂的计算才能得到结果的一般形式,并且条件似乎不足,使得结果难以确定,这时我们可以尝试采用极限思维的方法,将其变化过程引向极端的情况,就能把比较隐蔽的条件或临界现象暴露出来,从而有助于结论的迅速取得.对于某些具有复杂运算的题目,还可以通过特殊值验证的方法排除错误选项,提高效率.图示为一个内、外半径分别为R 1和R 2的圆环状均匀带电平面,其单位面积带电量为σ.取环面中心O 为原点,以垂直于环面的轴线为x 轴.设轴上任意点P 到O 点的距离为x ,P 点电场强度的大小为E .下面给出E 的四个表达式(式中k 为静电力常量),其中只有一个是合理的.你可能不会求解此处的场强E ,但是你可以通过一定的物理分析,对下列表达式的合理性做出判断.根据你的判断,E 的合理表达式应为( )A .E =2πk σ⎝ ⎛⎭⎪⎫R 1x 2+R 21-R 2x 2+R 22x B .E =2πk σ⎝ ⎛⎭⎪⎫1x 2+R 21-1x 2+R 22x C .E =2πk σ⎝ ⎛⎭⎪⎫R 1x 2+R 21+R 2x 2+R 22x D .E =2πk σ⎝ ⎛⎭⎪⎫1x 2+R 21+1x 2+R 22x 解析:B 当R 1=0时,带电圆环演变为带电圆面,则中心轴线上任意一点的电场强度的大小E 不可能小于0,而A 项中,E <0,故A 错误;当x →∞时E →0,而C 项中E =2πk σ·⎝ ⎛⎭⎪⎫ R 21x 2x 2+R 21+ R 22x 2x 2+R 22=2πk σ·⎝ ⎛⎭⎪⎪⎫ 11x 2+1R 21+ 11x 2+1R 22,x →∞时,E →2πk σ(R 1+R 2),同理可知D 项中x →∞时,E →4πk σ,故C 、D 错误;所以正确选项只能为B.思想方法8:等效思想1.等效法是科学研究中重要的思维方法之一,所谓等效法就是在保证某方面效果相同的前提下,用熟悉和简单的物理对象、过程、现象替代实际上陌生和复杂的物理对象、过程、现象的方法.例如:合力与分力、合运动与分运动、总电阻与分电阻等.利用等效法不但能将问题、过程由繁变简、由难变易,由具体到抽象,而且能启迪思维,增长智慧,从而提高能力.2.运用等效法解决实际问题时,常见的有:过程等效、概念等效、条件等效、电器元件等效、电路等效、长度等效、场等效等.在运用等效法时,一定要注意必须是在效果相同的前提下,讨论两个不同的物理过程或物理现象的等效及物理意义.若在运用等效法解决问题时,不抓住效果相同这个条件,就会得出错误的结论.近年来,含有等效法思维方式的试题在高考中频频出现,主要考查物理模型等效、过程等效、条件等效、电路等效等.如图所示,在方向水平向左、范围足够大的匀强电场中,固定一由内表面绝缘光滑且内径很小的圆管弯制而成的圆弧BD ,圆弧的圆心为O ,竖直半径OD =R ,B 点和地面上A 点的连线与地面成θ=37°角,AB =R .一质量为m 、电荷量为q 的小球(可视为质点)从地面上A 点以某一初速度沿AB 方向做直线运动,恰好无碰撞地从管口B 进入管道BD 中,到达管中某处C (图中未标出)时恰好与管道间无作用力.已知sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,重力加速度大小为g .求:(1)匀强电场的场强大小E 和小球到达C 处时的速度大小v ;(2)小球的初速度大小v 0以及到达D 处时的速度大小v D .解析:(1)小球做直线运动时的受力情况如图甲所示,小球带正电,则qE =mg tan θ,得E =4mg 3q, 小球到达C 处时电场力与重力的合力恰好提供小球做圆周运动的向心力,如图乙所示,OC ∥AB ,则mg sin θ=m v 2R得v = 53gR . (2)小球“恰好无碰撞地从管口B 进入管道BD ”,说明AB ⊥OB小球从A 点运动到C 点的过程,根据动能定理有-mg sin θ·2R =12m v 2-12m v 20得v 0=253gR , 小球从C 处运动到D 处的过程,根据动能定理有mg sin θ(R -R sin θ)=12m v 2D -12m v 2, 得v D =3gR .答案:(1)4mg 3q 53gR (2) 253gR 3gR思想方法9:微元累积法高中物理中有很多复杂模型不能直接用已有知识和方法解决,可以在对问题做整体的考察后,选取该问题过程中的某一微小单元进行分析,通过对微元的物理分析和描述,找出该微元所具有的物理性质和运动变化规律,从而获得解决该物理问题整体的方法.比如,物体做变加速运动时,若从整体着手研究,则难以在高中物理层面展开,不过当我们用过程微元法,把物体的运动过程按其经历的位移或时间等分为多个小量,将每个微元过程近似为高中物理知识所能处理的过程,在得出每个微元过程的相关结果后,再进行数学求和,这样就能得到物体复杂运动过程的规律.再比如研究对象难以选择的情形,可以把实体模型等分为很多很多的等份,变成一个理想化模型,如刚体可以等分成无数个质点、带电体可以等分成很多点电荷来研究,先研究其中一份,再研究个体与整体的关系,运用物理规律,辅以数学方法求解,由此求出整体受力或运动情况,在中学阶段比较常见的有流体或类似流体问题、链条类的连续体模型等.如图所示,空间存在竖直向下的匀强磁场,磁感应强度B =0.5 T .在匀强磁场区域内,同一水平面内有一对足够长的光滑平行金属导轨,导轨间距L =1 m ,电阻可忽略不计.质量均为m =1 kg 、电阻均为R =2.5 Ω的金属导体棒MN 和PQ 垂直放置于导轨上,且与导轨接触良好.先将PQ 暂时锁定,金属棒MN 在垂直于棒的拉力F 作用下,由静止开始以加速度a =0.4 m/s 2向右做匀加速直线运动,5 s 后保持拉力F 的功率不变,直到棒以最大速度v m 做匀速直线运动.(1)求棒MN 的最大速度v m ;(2)当棒MN 达到最大速度v m 时,解除PQ 锁定,同时撤去拉力F ,两棒最终均匀速运动.求解除棒PQ 锁定后,到两棒最终匀速运动的过程中,电路中产生的总焦耳热;(3)若PQ 始终不解除锁定,当棒MN 达到最大速度v m 时,撤去拉力F ,棒MN 继续运动多远后停下来?(运算结果可用根式表示)解析:(1)棒MN 做匀加速直线运动,5 s 时的速度为:v =at 1=2 m/s此时对棒MN 由牛顿第二定律得:F -BIL =ma棒MN 做切割磁感线运动,产生的感应电动势为:E =BL v在两棒组成的回路中,由闭合电路欧姆定律得:I =E 2R联立并代入数据解得:F =0.5 N5 s 时拉力F 的功率为:P =F v联立并代入数据解得:P =1 W棒MN 最终做匀速直线运动,则有:P v m-BI m L =0, 其中I m =BL v m 2R联立并代入数据解得:v m =2 5 m/s.(2)解除棒PQ 锁定后,两棒运动过程中动量守恒,最终两棒以相同的速度做匀速运动,设速度大小为v ′,以水平向右为正方向,则有:m v m =2m v ′设从解除棒PQ 锁定到两棒达到相同速度的过程中,两棒共产生的焦耳热为Q ,由能量守恒定律可得:Q =12m v 2m -12×2m v ′2 联立并代入数据解得:Q =5 J.(3)以棒MN 为研究对象,设某时刻棒中电流为i ,在极短时间Δt 内,由动量定理得:-BiL Δt =m Δv对式子两边求和有:∑(-BiL Δt )=∑(m Δv )而Δq =i Δt联立解得:BLq =m v m又对于电路有:q =It =E 2Rt 设棒MN 继续运动距离为x 后停下来,由法拉第电磁感应定律得:E =BLx t联立得q =BLx 2R代入数据解得:x =2Rq BL =2Rm v m B 2L 2=40 5 m. 答案:(1)2 5 m/s (2)5 J (3)40 5 m思想方法10:守恒思想物理学中最常用的一种思维方法——守恒.高中物理涉及的守恒定律有能量守恒定律、动量守恒定律、机械能守恒定律、质量守恒定律、电荷守恒定律等,它们是我们处理高中物理问题的主要工具.如图所示,长R =0.6 m 的不可伸长的细绳一端固定在O 点,另一端系着质量m 2=0.1 kg 的小球B ,小球B 刚好与水平面相接触.现使质量m 1=0.3 kg 的物块A 沿光滑水平面以v 0=4 m/s 的速度向B 运动并与B 发生弹性正碰,A 、B 碰撞后,小球B 能在竖直平面内做圆周运动.已知重力加速度g =10 m/s 2,A 、B 均可视为质点,试求:(1)在A 与B 碰撞后瞬间,小球B 的速度v 2的大小;(2)小球B 运动到最高点时对细绳的拉力.解析:(1)物块A 与小球B 碰撞时,由动量守恒定律和机械能守恒定律有: m 1v 0=m 1v 1+m 2v 212m 1v 20=12m 1v 21+12m 2v 22 解得碰撞后瞬间物块A 的速度v 1=m 1-m 2m 1+m 2v 0=2 m/s 小球B 的速度v 2=2m 1m 1+m 2v 0=6 m/s (2)碰撞后,设小球B 运动到最高点时的速度为v ,则由机械能守恒定律有: 12m 2v 22=12m 2v 2+2m 2gR 又由向心力公式有:F +m 2g =m 2v 2R联立解得F =1 N ,由牛顿第三定律知小球B 对细绳的拉力F ′=F =1 N.答案:(1)6 m/s (2)1 N。
物理九大思想方法观察人们通过感官或借助仪器,有计划、有目的的地对客观事物进行系统考察和描述,这就是观察的方法。
观察是人认识自然的最基本的方法,是获得感知、为建立科学理论提供原始资料的重要途径和手段。
说明:(1)有明确的研究对象和观察目的。
如英国物理学家,法拉第花了整整10年时间寻找"转磁为电",终于观察到了当把磁铁插入绕有线圈的空心纸筒时,和线圈连接的电流计指针发生了摆动,由此发现了电磁感应。
(2)综合运用感官,并借助科学仪器考察研究对象。
例如观察回音--声波的反射及其产生的条件,要凭听觉和视觉--观察钟表显示的时间差或测量声源和反射物的距离。
利用超声波进行水下目标探测时需借助仪器--声呐,且凭听觉同时观察荧屏上显示的回波信号来确定水下目标的位置。
(3)力求全面地把握研究对象的各种属性,并以科学理论判断和理解观察结果。
例如英国植物学家布朗在显微镜下观察到悬浮在水中的花粉粒子和无生命的烟煤粒子的不规则运动,但未能正确地解释其原因。
人们在重复的观察中还发现粒子越小、温度越高,粒子不规则运动的程度越明显。
随着分子运动论的发展,人们才认识到粒子的不规则运动是它们受到来自各个方向的液体分子的碰撞不平衡所引起的。
(4)系统地、全面地、如实地考察自然事物,准确而周密地记录事实,并加以统计和概括,为揭露事物和自然现象的本质及其规律提供科学的依据。
例如德国的天文学家开普勒在丹麦天文学家第谷积累30多年的高度精确的大量天体观测资料的基础上,对火星轨道进行周密计算与观测,摒弃了哥白尼提出的行星圆轨道运行的假定,提出了行星沿椭圆轨道绕太阳运行等著名的行星三大定律。
测量从量的方面对事物进行考察的一种研究方法,是量的观察。
其目的在于深刻地、精确地把握事物质的特征及其数量的关系。
物理学中要研究事物的规律性,就需要对各物理量,如长度、质量、时间、温度、电流强度、发光强度,进行考察和测量。
说明:(1)要有一个统一的标准。
物理解题中常用的数学知识物理解题运用的数学方法通常包括方程(组)法、比例法、数列法、函数法、几何(图形辅助)法、图象法、微元法等.<1>.方程法物理习题中,方程组是由描述物理情景中的物理概念,物理基本规律,各种物理量间数值关系,时间关系,空间关系的各种数学关系方程组成的.列方程组解题的步骤①弄清研究对象,理清物理过程和状态,建立物理模型.②按照物理情境中物理现象发生的先后顺序,建立物理概念方程,形成方程组骨架. ③据具体题目的要求以及各种条件,分析各物理概念方程之间、物理量之间的关系,建立条件方程,使方程组成完整的整体.④对方程求解,并据物理意义对结果作出表述或检验. <2>.比例法比例计算法可以避开与解题无关的量,直接列出已知和未知的比例式进行计算,使解题过程大为简化.应用比例法解物理题,要讨论物理公式中变量之间的比例关系,清楚公式的物理意义,每个量在公式中的作用,所要讨论的比例关系是否成立.同时要注意以下几点:①比例条件是否满足:物理过程中的变量往往有多个.讨论某两个量比例关系时要注意只有其他量为常量时才能成比例.②比例是否符合物理意义:不能仅从数学关系来看物理公式中各量的比例关系,要注意每个物理量的意义(例:不能据R =IU认定为电阻与电压成正比). ③比例是否存在:讨论某公式中两个量的比例关系时,要注意其他量是否能认为是不变量,如果该条件不成立,比例也不能成立.(例在串联电路中,不能认为P=RU 2中,P 与R 成反比,因为R 变化的同时,U 随之变化而并非常量)<3>.数列法凡涉及数列求解的物理问题具有多过程、重复性的共同特点,但每一个重复过程均不是原来的完全重复,是一种变化了的重复,随着物理过程的重复,某些物理量逐步发生着“前后有联系的变化”.该类问题求解的基本思路为:①逐个分析开始的几个物理过程。
②利用归纳法从中找出物理量的变化通项公式(是解题的关键),最后分析整个物理过程,应用数列特点和规律解决物理问题。
高中物理的典型思维方式作者:董立明来源:《中学课程辅导·教师通讯》2015年第05期要学好高中物理,光靠做题肯定是不行的,还必须掌握正确的物理思维方法。
起到举一反三、事半功倍的效果。
下面是笔者总结的常用的典型物理问题的思维方法。
一、猜想、假设与反证该方法是在研究对象的物理过程不清楚的情况下,根据猜想,假设出一种过程或一种状态,再根据题设所给条件进行逻辑分析或计算得到结果,将结果与实际情况作比较,对假设进行判断,从而获得清晰的解题思路的一种方法。
有时还可以人为地改变原题所给条件,作出某种假设,产生出与原题相悖的结论,也就是我们常说的反证。
二、作图与图像图像法是将物理量间的代数关系转变为几何关系,运用图像直观、形象、简明的特点,来分析解决物理问题,由此达到化难为易、化繁为简,化抽象为形象的目的,包括物理过程图,状态图,矢量图,V-t图等等。
三、特值、特例与量纲这种方法常用于选择题。
是根据问题构建或回忆头脑中的物理实例或让某些物理量取特殊值,通过简单的逻辑分析、计算进行判断的一种方法,或分析量纲。
可以最大限度缩小选择题选项的数量。
四、去次留主建模型模型思维法就是对研究对象或过程加以合理的简化,突出主要因素,忽略次要因素,从而解决物理问题的方法。
高中物理的模型很多,包括:实体模型(质点、轻绳轻杆、弹簧振子、平行玻璃砖等);过程模型(匀速运动、匀变速、简谐运动等)五、极限和临界极限和临界的思维方法,是将问题推向极端状态的过程中,着眼一些物理量在连续变化过程中的变化趋势及一般规律在极限值下的一般规律的表现,做科学分析,得出正确判断或导出一般结论的方法。
在一些特殊问题当中如能巧妙的应用此方法,可使解题过程变得简捷。
这两种方法对分析综合能力和数学应用能力要求都较高,一旦应用得恰当,就能出奇制胜。
六、等效转化等效法,就是在保证效果相同的前提下,将一个复杂的物理问题转换成较简单问题的思维方法。
基本特征为等效替代。
在物理教学中培养科学的世界观和方法论在物理学各科学理论建立与形成的过程中,蕴涵着丰富的社会科学知识,物理学发展的各个阶段都充分地体现了科学家们的人文精神,所以我们处在教育前沿的物理教师应时刻注意,在教学过程中将社会科学中的人文精神展示给受教育者,使他们在学习物理知识的同时,得到良好的人文精神的熏陶,在潜移默化、不知不觉中美化净化他们的心灵,培养他们辩证唯物主义的世界现和方法论。
一、物理学中蕴涵着丰富的社会科学内容中学物理教学目的之一,就是使学生学到物理基础知识和基本技能,受到科学方法和科学思维的训练,受到科学作风和态度的熏陶。
在物理教学中始终体现求实、求真、求新精神。
通过学习,发展科学的认识能力、思维能力和实践能力,并逐步形成科学的世界观和人生观,掌握科学辩证唯物主义的方法论。
建立健全人格,树立崇高的社会风尚,使学生们在未来的社会中善于并敢于承担对他人、对社会的责任,成为“健康”的社会人。
随着社会的发展,教育理念的不断更新,学生个性化的发展越来越被重视起来。
通过个性化的发展,在求真、求实的求知过程中丰富学生的价值取向和人文精神。
二、让科学世界观的形成在物理教学中成为必然现代教育论正在由注重知识结果向注重获得知识的过程转化。
物理学发展的各个历程中好多规律的得出,都证明我们在实际教学中必须注重获得知识的过程。
物理学内容的不断丰富、深化,对改变人们的思想观念、文化传统有很大的推进作用,从而导致人们在世界观、方法论和认识论上都有了重大改变。
如,哥白尼日心说的得出,爱因斯坦广义相对论的问世,在不同的历史时期使人们的世界观、方法论、认识论有了天翻地覆的变化,在相对论理论基础上建立的宇宙大爆炸学说描绘出了宇宙演化的前景。
从某一方面说,教育就是教育者和受教育者之间在认知、情感和行动上的交流与探讨,既然如此,那就是人与社会关系的反映。
提倡教学主体从目的、需要、动机和情感等方面加以感悟,让学生体会科学理论的形成过程也是自然;科学与人类社会交往的过程;养成实事求是的作风,尊重他人成果的态度,获得积极进取、坚忍不拔的精神;敢于向困难挑战,并最终战胜困难的意志品质。
高考物理实验方法思想十一个高中物理实验的思想方法总结一、直接比较法高中物理的某些实验,只需定性地确定物理量间的关系,或将实验结果与标准值相比较,就可得出实验结论的,这即是直接比较法。
如在“研究电磁感应现象”的实验中,可在观察记录的基础上,经过比较和推理,得出产生感应电流的条件和判定感应电流的方向的方法。
二、等效替代法等效替代法是科学研究中常用的一种思维方法。
对一些复杂问题采用等效方法,将其变换成理想的、简单的、已知规律的过程来处理,常可使问题的解决得以简化。
因此,等效法也是物理实验中常用的方法。
如在“验证力的平行四边形定则”的实验中,要求用一个弹簧秤单独拉橡皮条时,要与用两个弹簧秤互成角度同时拉橡皮条产生的效果相同——使结点到达同一位置O,即要在合力与分力等效的条件下,才能找出它们之间合成与分解时所遵守的关系——平行四边形定则;在“碰撞中的动量守恒”实验中,用小球的水平位移代替小球的水平速度;画电场中等势线分布时用电流场模拟静电场;验证牛顿第二定律时调节木板倾角,用重力的分力抵消摩擦力的影响,等效于小车不受阻力等等。
三、控制变量法控制变量法即在多因素的实验中,可以先控制一些物理量不变,依次研究某一个因素的影响。
如牛顿第二定律实验中可以先保持质量一定,研究加速度和力的关系;再保持力一定,研究加速度和质量的关系。
在研究欧姆定律的实验中,先控制电阻一定,研究电流与电压的关系,再控制电压一定,研究电流和电阻的关系。
四、累积法把某些用常规仪器难以直接准确测量的微小量累积将小量变大量测量,以提高测量的准确度减小误差。
如在缺乏高精密度的测量仪器的情况下测细金属丝的直径,常把细金属丝绕在圆柱体上测若干匝的总长度,然后除以匝数可求细金属丝的直径;测一张薄纸的厚度时,常先测量若干页纸的总厚度,再除以被测页数而求每页纸的厚度;在“用单摆测重力加速度”的实验中,单摆周期的测定就是通过测单摆完成多次全振动的总时间除以全振动的次数,以减少个人反应时间造成的误差影响。
中学物理思想方法——微元法专题齐薇(启东市汇龙中学 226200)近些年各地高考,特别是江苏高考物理试卷中时有微元法题目出现,考生的得分率很低,因此掌握这种问题的解题技巧就显得尤为重要。
那什么是微元法呢?利用微分思想的分析方法称为微元法。
它是将研究对象或物理过程进行无限细分(化变为恒、化曲为直、化整为零),从其中抽取某一微小单元进行讨论,从而找出被研究对象或被研究过程变化规律的一种思想方法。
一、“微元法”解题的思维程序:1、隔离选择恰当微元(空间元、时间元)作为突破整体研究的对象。
微元可以是:一小段线段、圆弧、一小块面积、一个小体积、小质量、一小段时间……,但应具有整体对象的基本特征。
2、将微元模型化(如视作点电荷、质点、匀速直线运动、匀速转动……)并运用相关物理规律,求解这个微元。
3、将一个微元的求解结果推广到其他微元,并充分利用各微元间的关系(如对称关系、矢量方向关系、量值等关系),对各微元的解出结果进行叠加,以求出整体量的合理解答。
二、“微元法”解题一般步骤: 1、确定研究对象,选取“微元”; 2、列出相关微元的方程;3、对相关微元进行累积求和或求导。
三、微元法在变化中的应用.解题示范:从地面上以初速度v0竖直向上抛出质量为m 的球,若运动过程中受到的空气阻力与其速率成正比,球运动的速率随时间变化规律如图所示,t1时刻到达最高点,再落回地面,落地时速率为v1,且落地前球已经做匀速运动。
求:(1)球从抛出到落地过程中克服空气阻力所做的功(2)球抛出瞬间的加速度大小(3)球上升的最大高度解析:(1)由动能定理得:22101122f W mv mv =-克服空气阻力做功22011122f f W W mv mv =-=-克(2)空气阻力 f kv = 由落地时匀速运动有:10mg kv -=设刚抛出时加速度大小为a0,则00mg kv ma +=解得:001(1)v a g v =+(3)设上升至速度为v 时加速度为a ,则 ()mg kv ma -+=k a g v m =--v v 1取极短时间t ∆,其速度变化为v ∆,有:k v a t g t v t m ∆=∆=-∆-∆又因为 v t h ∆=∆对上升全过程有:kv g t h m ∆=-∆-∆∑∑∑010k v gt H m -=--解得:011()v gt v H g -=小结:在使用微元法处理问题时,需将其分解为众多微小的“元过程”,而且每个“元过程”所遵循的规律是相同的,这样,我们只需分析这些“元过程”,然后再将“元过程”进行必要的数学方法(累计求和)进而使问题求解在电磁感应问题中,常常遇到非匀变速运动过程中求位移,电量,能量等问题,灵活运用微元的思想,可以帮助我们更深刻的理解物理过程。
论物理学之思想和方法汇总一篇论物理学之思想和方法 1一、关于物理学思想何谓物理学思想,物理学思想就是研究物质的运动形式、内在规律和物质基本结构的客观存在反映在人的意识中经过思维活动而产生的结果。
这种思维活动是人的一种精神活动,是从社会实践中产生的。
其内涵包括了物理科学本身的发展建立、物理学家的探索精神和研究方法以及我们学习物理的思想过程。
狭义地说,就是学习物理过程而形成的符合物理体系、物理规律和物理逻辑、物理方法的结果。
学会用物理思想去分析、解决物理问题。
我们认识物理学思想就是要知道它的发展史,要尊重客观事实,遵循自然规律。
物理学是不同于其他学科的一门自然科学,就中学物理而言,它是以观察和实验为基础的学科。
物理学有它自己的特点,通过了解物理学的发展历史不难知道,所派生出的物理学体系无不来源于自然,来于实践。
它是自然界客观存在的东西,又与生产、生活息息相关,与社会发展密切联系。
由此所起的作用是显而易见了。
“物理”即事物的内在规律。
它的运动形式、物质结构等物理变化、发展必定服从某种特定的规律。
我们只有认识和掌握了物理规律,才能更好地认识自然,改造自然,创造美好社会为人类服务。
其次,认识物理学思想,是学习物理学家对物理科学的热爱和努力追求科学的严谨态度;学习他们不怕失败敢于胜利的精神;学习他们不畏艰辛勇于拼搏的工作作风;学习他们善于假设、实验、发现、创新的辨证思想;学习他们对物理的认识有着独创见解、并能自成体系的勇气和胆略;学习他们研究物理在表象、概念的基础上能进行抽象、模拟、分析、综合、判断、推理、总结等认识活动过程的思维方法。
例如,牛顿运动三定律中的第一、二定律就是在伽利略的工作基础上由牛顿总结出来的。
认识物理学思想是学好物理的前提,因此,我们在学习物理过程中,始终要领会物理学思想,并能逐步转化为自己的思想。
掌握科学方法,提高解决物理问题的能力是极其重要的。
我们在了解物理学发展史的同时,不仅要学习物理学家的精神,而且要学习他们研究物理的方法。
中学物理中的思想方法比知识更重要的是方法,科学的思想方法是一把金钥匙第一节思维的困境与美丽的物理-----我校学生物理学习中的思维症结与物理中的科学思维方法一、我校学生物理学习中的思维症结,如: (1)概念模糊 (2)机械推理 (3)思维定势 (4)观察不细 (5)硬套公式 (6)运用不活 (7)感性不足 (8)理解片面 (9)不善于发现隐含条件(10)对实际问题缺少方法二、解决我校学生物理学习思维症结的主要手段——质疑1.质疑的一般方法:有的学生学习上虽然有很多困难,但是要他提问却提不出,这是因为没有掌握提问的方法。
如:因果法,比较法,推广法,变化法,反问法。
2.质疑例析三、学生科学思维目标思维的深刻性,思维的灵活性,思维的批判性,思维的敏捷性,思维的独创性四、物理中的科学美当代物理学家杨振宁教授说过“科学中存在美,所有科学家都有这种感受。
”科学美来源天地的自然美,但它不是指大自然美的景色,而是指潜藏在感性美之后的理性美,并为理智所能领悟的自然界内在结构所显示的和谐、秩序、简洁、对称、统一的美,是审美者通过理解、想象、逻辑思维所体验到的美。
科学美是中学生审美观念和审美素质教育的重要组成部分之一。
物理是研究自然界中物体运动变化规律的一门科学,是自然科学的一个重要组成部分,那么物理中蕴含着美也就是必然的。
1.简洁美与深刻美简洁美是以简单、洁净呈现其美感,简洁美是科学美的特征之一。
著名物理学家爱因斯坦曾指出:“自然规律的简单性也是一种客观事实,而且正确的概念体系必须使这种简单性在主观方面和客观方面保持平衡。
”所以,作为反映物体运动变化规律的物理来说,那种最简洁的物理理论最能给人以美的享受。
物理美的简洁性并不是指物理内容本身简单,而是物理理论体系的结构和物理规律的数学表达形式简洁。
物理概念和规律能客观的反映物质世界的属性及其运动变化规律,所以物理本身的内涵又具有深刻性。
例如,爱因斯坦的质能联系方程E=mc2,其反映的质量与能量之间的联系及其数学表达形式简洁无比,但却成为指导了人们进一步对核反应规律的认识和从核反应中去获得巨大能量的基础理论,从这点讲又是深刻的。
在教学中,通过从核反应中原子核质量的变化并伴随释放或吸收巨大的能量,而原子核质量的变化与释放或吸收能量之间的关系却由E=mc2这样简洁的关系式所描述,可使学生感悟到物理关系式的简洁美。
再从正负电子相遇“湮灭”成光子,而光子即为能量,又能使学生体会到E=mc2的深刻性和它描述的广泛性。
同时还可以讲述由美籍华人科学家,诺贝尔奖获得者丁肇中参与研制的“阿尔法磁谱仪”搭乘美国“发现”号航天飞机进入了宇宙空间,进行探寻反物质的意义。
按照相对论观点,科学家认为,在我们生活的物质世界中,可能还存在有物质世界的孪生兄弟——反物质,正电子就是负电子的反电子,同样也有负原子核为正原子核的反原子核,由负原子核和正电子就构成了反物质的原子,正反两种物质相遇“湮灭”能放出巨大的能量,湮灭的质量与产生的能量间关系也为E=mc2。
这样的介绍可以使学生很好的理解科学美在理性与实践上的含义,可以使学生从科学美中的简洁美和深刻美中进一步理解物理概念和规律,同时通过科学的审美观念也激发了学生学习物理的兴趣和极积性。
2.统一美与奇异美大自然中的物体运动变化和现象是千姿百态,千变万化的,每一物体都有区别于其它物体的特殊性,物理所研究的就是从这些不同事物运动变化的多样性中找出它们的内在联系和共性,通过这种联系和共性来构成一个统一的理论体系,这样就形成了既千变万化又和谐统一的结构美,这也就是科学美中的多样性统一美。
统一美是物理结构美的重要标志,在物理中一些表面看来不相同的概念、定理、定律,在一定的条件下可以处于一个统一的系统中。
中学物理中这种多样性统一美的例子是很多的,例如,描述宏观物体机械运动的概念、定理、定律是各种各样的,表面并不相关,牛顿力学却能把地上的和天上的所有物体的机械运动的规律都统一起来;麦克斯韦的电磁理论,又把表象完全不同的电、磁、光的运动统一了起来,所以牛顿力学理论和麦克斯韦的电磁理论都具有统一美。
统一美是物理研究与发现过程中所追求的,也是中学物理教学与学习的科学方向,在组织教学和指导学生学习时,通过研究系统的共性,把共性归纳成为简洁而深刻的统一形式,并启发学生去品味其中的美感,以培养学生的科学的审美观念。
自然界中的物体都有区别于其它物体的个性,这种个性往往闪烁着超群脱俗、不同凡响的奇异美,正如培根所说:“没有一个极美的东西不是在调和中有某种奇特!”科学的奇异美表现在两个方面,一是概念或结论的不同凡响、惊人骇世;二是其表达的神奇奥妙、令人折服。
例如,E=mc2告诉我们每单位物质都具有惊人的能量,而原子弹、氢弹则能释放出这种惊天地泣鬼神的能量,E=mc2所表达的内涵就是如此的深刻,而形式又是这样的简洁,确给人以一种惊人骇世之感,这就是一种奇异美。
统一美是共性之美,奇异美是个性之美,这两种美交相呼应,构成了整个物理体系的科学美。
在物理教学中,抓住物体运动变化的某些个性,往往可以得到闪烁着奇异光彩的结论或方法。
例如有这样一道高考题:一个质量为m,带有电荷-q的小物体,可在水平轨道Ox运动,O端有一与轨道垂直的固定墙,轨道处于匀强电场中,埸强大小为E,方向沿Ox是正方向,如图所示,小物体以初速度v0从x0点沿Ox轨道运动,运动时受到大小不变的摩擦力f作用,f<Eq;设小物体与墙碰撞时不损失机械能。
且电量保持不变,求停止运动前所通过的总路程S。
此题若根据小物体每次与墙相碰后往返的路程来解,则面对的是一个等比数列的求和问题,虽然数列形式也是美的,但解法复杂;若注意到摩擦力作功与路程有关,则由动能定理列出,一个式子即可求出S,比较两种解法,学生无不为第二种解法的简洁脱俗表现出惊异与赞赏,学生很自然的就能从这个解答中领悟出奇异美,同时也体验到简洁美。
学生通过这类问题的讨论,都能从愉悦中体会和鉴赏出科学中的奇异美,由此也就在深化审美观念的同时培养了学生研究物理问题的兴趣。
3.模型美与和谐美一般地说,美至少有两个各具特征的层次,一个是事物外在的感性形态美;另一个则是内在的和谐理性之美。
物理源于客观实体,但又高于客观实体,物理是通过建立抽象的、理想的模型来做为构造理论体系的基础,这些模型和理论分别具有模型美与和谐美。
例如物理中的电场线和磁感线是一类抽象模型,它们都是为形象描述客观实体电场和磁场性质所画出的具有一定规律并且颇具美感的线条,这些线条以美的形态把抽象的场变为能够为视觉感受到的模型,模型在体现模型美的同时也体现了电场和磁场的抽象美。
物理中抽象模型是美的,光滑平面、理想气体等理想模型也是美的,实验中的仪器、一些实体模型也都以其优美的造型,庄重的色彩给人以美感。
和谐美是理性地研究自然的基本思路,自然界存在的和谐性是很多科学家固定的思想方式和研究方法,并成为一种信念和追求。
和谐美是指事物和现象的各种要素、各个部分、各个方面的协调有序、匀称流畅,是具有多样化的特殊统一美。
例如,磁通量把本来并不存在的抽象物理模型——磁感线与描述客观存在的磁场强弱的物理量——磁感应强度有机的联系了起来,这就充分体现了和谐美的主要特征:协调有序和多样统一。
再例如,中学物理中理想气体的状态方程,就把玻意耳定律、查理定律和盖×吕萨克定律在理想条件下统一了起来,这又是和谐美的匀称流畅、多样统一。
大凡科学理论和科学规律,都具有和谐美,这是因为理论和规律都具有内在的结构和谐与外在的功能和谐的两个方面的统一,这种和谐与统一就是科学美的重要组成部分。
教学中通过对类似上述模型与规律的分析,可以促使学生从理性上感悟出物理中的科学美,由此也就可以在学习物理的过程中发现更多的物理美,这对学习物理方法的优化无疑是十分重要的。
4.状态美与过程美这是从定态与动态的审美角度来理解科学规律所体现的美感,所谓定态是指物体运动变化过程中的固定或稳定状态。
由于物体运动变化的某一瞬间也都具有确定的物理量值,所以这个瞬间状态也是一种定态,是一种瞬间定态,而过程则是这些瞬间定态的连续无缝集合。
物体的运动变化往往是连续的,用牛顿运动律及运动学规律可以求出某一瞬间的有关物理量,这些瞬间的量就构成了问题过程的细节,所构造出的物理情景以其连续和谐呈现出过程美;状态美则体现对定态量的定义和数量上的把握,动能、势能、动量等都是定态量,无论动量守恒、还是机械能守恒都体现了状态量对定态变化前后的一致和谐性,使物理的状态情景具有美感。
过程美与状态美同认识物体运动变化的动态与定态的方法相对应,二者是学习与研究物理科学的互补的认识途径。
学习物理既要善于从状态、固定上去把握物体,又要善于从过程、运动上去掌握运动变化的规律,从定态和动态中去理解、去体验物理情景的状态美与过程美,通过美化物理情景来达到到活化物理情景,从而能使学生对物理的理解从科学美上得到形象化的拓宽和加深。
5.结构美与对称美物理概念和规律是从本质与现象、内容与形式的角度来揭示自然规律的。
本质可以理性地说明现象,形式的结构可以表达出本质内容的深刻内涵和广阔外延。
例如,密度的定义式、电阻的定义式、电场强度的定义式等,都以其简单相同的比的结构来定义具有深刻内涵和广阔外延的不同物理概念,这种比是本质属性与形式结构的和谐,这种和谐就显示出它们的结构美。
结构美通常都具有简单和谐性、对称相似性和深刻普适性,由此再看上述几个定义式,其结构美的特征就一览无疑了。
科学美中的对称美来源于自然界物质形态美及其运动图景所具有的广泛对称美,借助于建筑美学很容易理解对称美概念,一些建筑物外表的对称显示出一种空间方位上对称的美感,我国古建筑如天安门、天坛、故宫等就呈现出庄严稳重的对称美。
物理学家劳厄曾把物理公式中极端精炼和庄严稳重的对称结构称之为“美学上真正完美的对称形式”。
十分强调审美意识的物理学家狄拉克正是由对称美出发,依据我们所处的物质世界提出了反物质的概念,可见审美意识也是物理发现和创造的基础。
同样在学习物理中的审美意识有助于强化对物理概念和规律的理解,如机械能守恒定律的表达式、动量守恒定律的表达式等,都具有平稳庄重的对称美;电场与磁场、波粒二象性、负电子与正电子也都具有内涵与外延的对称美。
在教学中指导学生从规律结构的对称性来认识自然中的守恒规律,并启发学生感悟出对称是一种美的结构,从中进行审美意识的培养。
从对称美的角度去理解物理和掌握这些规律,会使学生对貌似枯燥的理论产生愉悦感,由此即可提高对学习物理的兴趣。
物理学本身是一个美的世界,蕴含着丰富的科学美,不管是那一个概念、那一条规律,都同时具有多种形式的科学美,如牛顿第二定律F=ma,它就具有结构简洁美、内涵深刻美、描述运动状态美和过程美、宏观物体运动普适统一美等。