牛顿力学的建立-成化高中

第三讲物理学方法论大学物理专题讲座主讲人冯杰11/25/20241

第三讲物理学方法论

物理学方法论概述物理学方法论概述五、分析与综合七、假说三、比较、分类六、归纳与演绎八、数学方法九、物理学的理论体系十、物理量的定义法四、类比一、实验方法

二、理想化方法(抽象)逻辑思维方法(自然)科学思维方法(自然)科学思维方法(自然)科学思维方法与逻辑思维方法结合科学方法11/25/20242一、实验方法1、天然物理现象的实验研究⑴作用：建立了人类古代的科学技术⑵原因：技术水平的限制；古代天文学、经典力学…

某些天然现象纯粹、直观；比如，对“力”研究…

有些现象无法依赖模拟实验；引力波…

天然实验室的优越性；太空实验室，高山乳胶室哈勃太空望远镜…物质运动新消息中国、印度古代的天文学、光学；开普勒的天体力学等；牛顿、惠更斯的光学实验，★天然物理现象的实验仍然是天体物理学、天文学、高能物理、宇宙学等学科实验的重要形式…11/25/202432、模拟物理现象的实验研究⑴模拟物理实验的特点●实验对象可以人工控制——主动掌握实验时间、地点、周期★伽里略比萨斜塔实验★电磁学实验中的电屏蔽●实验对象可以人工控制——抓住关键、突出重点、排除干扰★光速的测定★风洞实验…傅科(1644~1710)旋转镜法迈克尔逊(1644~1710)干涉法菲索(1644~1710)旋转齿轮法★高能物理实验——基本粒子实验…⑵

模拟物理实验的作用：典型、高效、具有探索性、前瞻性勒麦(1644~1710)木星的卫星蚀11/25/202443、实验的类型⑴从研究对象：模拟实验；天然实验★遮贝克（德）温差电实验★劳厄（德）X射线衍射实验★富兰克林的雷电实验★吴键雄验证弱相互作用宇称不守恒的实验●定量探究实验——★需要做精确的数量的测定；⑵从量化角度：定性与定量实验●定性探究实验——★不需要或不可能做量的测定；★空间弯曲实验——理论计算光线弯曲1.7s1919英国两个观测队：实验测量值1.60±0.30s;1.98±0.12s11/25/20245⑶从科学方法：验证型实验与探究型实验★帕斯卡对托里拆利实验的解释上帝厌恶真空？大气压的原因？●验证型实验★中学物理实验★大学物理（普通物理）实验的大部分以及各分科实验●探究型实验★法拉第电磁感应实验——探究磁生电流—实验归纳法★卢瑟福的α粒子实验——探究原子的结构—实验分析法★大部分近代物理实验——实验分析、综合、演绎法★哈勃望远镜；美、俄、中、欧等的太空飞船★电阻定律；欧姆定律实验——控制变量法—实验综合法11/25/20246⑷分科实验●物理教学上的实验内容★普通物理学：力、热、光、电、原子物理实验；●理论依据——基于归纳、分类的逻辑方法和循序渐进的原则●实施形式——主要是验证型实验●实施目标——★辅助、加深理解的验证型实验★学习基本实验技能的验证型实验★学习基本实验方法的验证型实验★培养科学方法的探究型实验★微电子学（无线电）实验★计算机(操作、语言)实验★电工（电路）实验★中级（近代）物理实验★专业（技术、基础理论）实验：eg中学物理教学法实验交流与讨论：分科实验的实施目标是什么？11/25/20247二、理想化方法1、理想模型——纯化物理对象⑴质点；刚体；弹簧振子……⑵流线，理想流体，理想气体；⑶点电荷，匀强电（磁场）；⑷光线，平行光，……2、理想过程及理想状态——其内外条件、特性的理想化⑴平衡态——内部条件的理想化；⑵可逆过程——外部条件的理想化；⑶自由落体运动、无阻尼振荡、完全弹性碰撞、稳恒电流…——状态特性的理想化

★“点电荷”的抽象条件？交流与讨论：理想化方法有哪些类型？11/25/202483、理想方法的类型⑴研究对象的范围和条件很接近理想状态理想流体，气态方程——气体实验的成立条件是什么？⑵研究对象与理想状态有明显的差距卡诺循环：两个等温过程和两个绝热过程——可逆实际的热机：工质温度变化、排除；热交换；摩擦——不可逆⑶超越现有条件，指出研究方向，预见新的事物理想晶体——“金胡须”的产生量子力学的计算表明：没有缺陷的理想晶体的强度比技术材料大一千倍，如果减少金属材料的缺陷，则其强度会大大提高。

11/25/202494、理想实验——实验情景的逻辑推理⑴实质：按照实验特点进行的逻辑推理⑵特点：优点和局限性①

没有实验误差；②

可以超越当时的技术水平：单电子枪实验（1927—1949），时间膨胀实验（1905—1971）；爱因斯坦与玻尔关于测不准关系的理想实验；③

突出主要因素，易于寻找规律④可能导致错误结论——伽利略惯性实验，他当时的推理是“惯性运动——运动方向不受力作用——不是匀速直线运动，而是圆周运动——地球上的物体……”★理想实验又叫思维实验、假想实验11/25/202410★伽利略的错误在于他只注意到物体运动方向上不受力。★惯性运动的前提是“物体不受任何力”，是笛卡儿惯性实验！

⑶理想实验的作用①

可以推翻不合理的理论，eg，关于自由落体的理想实验；②

可以建立新理论，eg：惯性实验否定力是物体运动的原因伽利略的错误推论11/25/202411三、比较、分类

1、比较的含义：找出研究对象之间的同一性和差异性。

2、比较的原则：⑴重点在于本质的比较；⑵每次比较，标准要统一；⑶比较的结论只能在比较的范围内适用。★比如，干涉与衍射的比较；振动曲线与波动曲线的比较……

3、分类的含义：对感性认识（材料）进行整理的一种方法。

4、分类的原则：

⑴逐级分类；★比如，隔离体受力分析——力的分类；

⑵每次比较，标准要统一；

⑶穷尽原则。★否则，容易遗漏。★比如，力的分类；运动(轨迹,受力与否)的分类……11/25/202412

1、类比的含义：用已知的现象和过程与未知的物理现象和过程相比较，找出它们的共同点、相似点或相联系的地方。

⑴物理现象之间的类比★惠更斯声波与光“波”的类比声波——源：振动；声速有限；球面波，空气光“波”——源：振动；光速有限；球面波，以太⑵物理现象与其他事物的类比★汤姆孙的原子模型——用葡萄加蛋糕类比★卢瑟福的原子模型——用太阳系的行星结构类比2、类比的形式：四、类比11/25/202413⑶数学形式的类比★库仑定律★比奥——萨伐尔定律★万有引力定律的平方反比率3、类比的作用：4、类比的局限性和类比关键★方向、路线；直观；本质不同，但数学形式可以相同；★学习方法简单，研究方法简便；11/25/202414五、分析与综合

1、分析方法的含义：将研究对象分为若干部分、层次，逐步具体研究。★运动的分解；隔离体受力分析；★气体实验三定律的研究；★运动的分解；隔离体受力分析；

2、实验分析方法与理论分析方法

3、分析方法与其他方法的同时运用★控制变量方法；分析方法11/25/2024151、综合方法的含义：与分析方法相反，将研究对象分为各部分、各层次集合起来，考察研究。

2、大综合与小综合3、分析方法与综合方法的辨证统一★伽里略对运动原因到惯性定律；★惯性定律到牛顿一定律，再到牛顿力学；★电学、磁学—奥斯忒—法拉第—麦克斯韦—电磁波、波波夫综合方法★电磁感应定律分析与综合11/25/202416六、归纳与演绎

1、近代归纳法的创始人：英国哲学家培根（1561—1624）2、归纳法三步骤★搜集材料；★整理材料；★概括抽象4、现代归纳法数学基础——概率统计3、归纳法在物理学研究中的应用★机械能守恒定律的建立；牛顿对“虹”的研究……5、归纳法有局限性归纳方法11/25/202417

1、演绎法的含义：以某些基本规律或观点作基础（大前提），对个别的事物或现象（小前提）进行推理，从而确定这些事物或现象具有的特性或规律（结论）2、演绎法的三段论★大前提★小前提★结论3、归纳法在物理学研究中的应用★简单的演绎：动能定理；动量能守恒定律的建立；4、归纳与演绎的辨证统一演绎方法★海王星的发现大前提：万有引力定律正确而且适用于所有行星小前提：天王星是行星，也遵循万有引力定律结论：天王星的轨迹摄动，应当是其他行星万有引力定律的作用——海王星11/25/202418七、假说

1、假说的含义：是自然科学真理发展过程中的一个形式，是进行科学研究的一种方法——科学研究中假定性的说法。2、物理学假说的三种类型★类型一：根据已知的科学原理和科学事实，对新事实进行假定性的说明——安培的分子电流假说、麦氏位移电流假说；★类型二：根据已知的科学理论，进行逻辑推演出可以预测新的现象——麦氏电磁理论的假说对电磁波的预言★类型三：不是根据已知的科学原理和科学事实，而是根据新事实，提出与已知的科学原理不相容的假定性说明——普朗克的量子假说；11/25/202419

3、物理学假说的客观依据★对物理事实、物理理论在理论基础上的逻辑推导运用归纳方法提出假说：气体三定律、欧姆定律等运用演绎方法提出假说：中子β衰败的中微子假说等运用类比方法提出假说：光波的多普勒效应等运用综合方法提出假说：万有引力定律——开普勒实验和理论方法、伽里略的逻辑推理方法、牛顿的数学演绎方法的结合等11/25/2024204、物理学假说的验证和转化★假说的双重验证：理论逻辑验证；实验验证★假说的转化：经过理论逻辑验证和实验验证即上升为理论（真理），否则，即为谬误。5、假说的争论推动物理学的发展★光的本质的假说双重验证……11/25/2024211、数学的本质与特点⑴本质：各种运动形式在空间形式及其数量关系的概括。⑵特点：①高度的抽象性。eg：虚功原理

②逻辑上的严密性。eg：麦克斯韦方程组1、四个积分方程2、四个微分方程

八、数学方法交流与讨论：数学的本质是什么11/25/202422③数量上的精密性。eg：波动动力学方程加上初值条件和规范的边界条件，可以严格求解④深刻上的辨证性。eg：极限——曲与直、微分——无穷小…增量趋于零→←无穷小的比值发生了质变弹性力学的；电磁波的；量子的；2、数学是物理学的表述形式经典力学牛顿三定律万有引力定律四方面之特性之故胡克定律摩擦定律11/25/202423经典电动力学麦克斯韦方程组物质方程经典热力学经典光学麦克斯韦方程组+矢量的叠加原理惠更斯——菲涅耳原理热力学第一定律热力学第二定律11/25/2024243、数学是创立和发展物理学理论的主要工具实验→思维方法→数学工具→物理学理论→实验检验→…牛顿力学的建立——微积分；开普勒三定律——开普勒对天文观测资料的数学分析：解析几何热学的熵的概念——

经典统计学；经典电磁理论——法拉第的实验，麦克斯韦的数学概括；经典波动光学的惠更斯—菲涅耳原理——基尔霍夫积分公式；量子力学的数学工具——群论（比如，酉空间、对易关系…）；广义相对论的时空关系——

黎曼空间几何学；微观、渺观——宇观、胀观的数学困惑…4、物理学理论的应用要借助数学工具麦克斯韦的电磁波预言

←变化的磁场生电场；←变化的电场生磁场11/25/202425弹性力学的冲击波；电子线路的设计；原子能技术航天技术；导弹技术；阿波罗登月计划；计算机技术…原子能的利用→←爱因斯坦的质能关系5、物理学促进数学的发展⑴物理学的需要是数学发展的一个源泉⑵运用数学工具研究物理学，也推动着数学发展⑶为数学理论提供了实践的检验定量的计算；解决精确描述的问题；——天文学、航海机械力学、热机效率问题；…①

连续介质力学、场论（热传导、电场、磁场、重力场）促进了偏微分方程的发展；②

分子理论推动了概率论和随机过程理论的发展；…关于复数的话题11/25/202426几个基本概念—————导出概念

几个原理（公理）———定理（除原理以外的其它定律）2、理论体系的构成方法1、理论体系的形成方法逻辑导出逻辑推理九、物理学的理论体系的建立方法11/25/2024271、什么是定义：

揭示概念内涵的逻辑方法⑴

定义的逻辑程序——⑵定义的思维程序——基本概念—基于实践，人为规定；导出概念—形式逻辑来定义；2、定义应当遵循的原则⑴

不能与客观事实、客观规律相矛盾⑵要反映事物的本质⑷

不能是人为的杜撰实践中、应用中可用可行。比如：⑶定义要全面——定性（本质）；定量（关系）形式通俗的说，就是用已逻辑：知的去定义未知的。定义的作用举例—分析—概括—抽象—下定义

↑简谐振动十、物理量的定义法11/25/2024283、基本概念物理量的定义方法⑴定性

定义

人为规定物质或运动的某一基本的属性。

比如，“力是物体之间的相互作用”；“力是改变物体运动状态的原因”；……⑵定量

定义

——操作性定义：人为规定单位标准和定量计算式力的单位：牛顿，简称“牛”，英文缩写：N力的定义式：⑶注意：基本概念物理量

——基本量与国际单位制七个基本量是不同的。位移的定义式：11/25/2024294、导出概念物理量的定义方法⑴定性

定义由基本概念物理量按形式逻辑的法则；反映物质或运动的某一方面的本质特性。

比如，“速度是描述物体运动快慢的物理量”；“速度是位移对时间的变化率”；……⑵定量

定义

定量计算式由一定的实验规律得出；反映导出概念物理量与已知量之间的逻辑关系。比如，⑶需要注意的问题①不能随意地导出概念物理量比如，加速度的定义式是矢量式，而不是

标量式。如果是标量式，则在匀速圆周运动中，牛顿第二定律将不成立，因为，11/25/202430②物理量定量式的选择原则上是任意的。——比值定义法、实验规律——数学演绎法、实验规律③定量式要反映出方向性质即是标量、矢量、还是张量？——控制变量法、实验归纳标量：是零阶张量，有=1个元素①标量：……②双向标量:电流强度I……矢量：是一阶张量，有=3个元素张量：二阶张量，有=9个元素三阶张量，有=27个元素①不规则物体的转动惯量②各向异性介质的电、光效应…①各向异性介质的；②非线性光学效应…；①“真”矢量：……②“赝矢量”：反对称二阶张量11/25/2024315、形式逻辑对导出概念的定义原则⑴不能太宽或窄：定义者的外延必须与被定义者的外延相等

理想气体内能～气体内能⑵不能是否定判断

一般不用“不是”，而用“是”……

比如，虽然“热量不是物体内分子热运动的能量”表述正确，但是，不能作为定义！定义应当表述为：“热量不是……⑶不能是一个比喻比如：电容是导体容纳电荷的能力⑷不能循环或同义反复“能量是物体具有做功的本领，功是能量变化的量度”——相互包含……11/25/202432⑶“临近属”：相对于种，同一级属称为“临近属”。

比如，弹力、摩擦力是临近属，6、逻辑学关于“分类”的几个概念⑴“种”、“属”：大类包含几个小类属种上一级种变成下一级属⑵“种差”：种之间的差别⑷“种”之和应当是“属”的全部(外延)。11/25/2024337、形式逻辑定义法及常见的定义公式⑴内涵定义法例1：只用数值就能完全确定的物理量称为标量

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种差:窄的外延临近属定义①种差加临近属定义法“物理量”是“标量”的临近属，“只用数值就能完全确定”