感受物理之美高中物理学习思想与方法课件

高中物理学习思想与方法2024年9月感受物理之美第一章：对称及其应用

物质世界存在某些对称性，如镜像对称、时间对称、空间平移对称、空间旋转对称等，物理学理论也具有相应的对称性.根据对称性分析、研究物理规律和现象,以此解决物理问题的方法叫对称法。

对称性普遍存在于各种物理现象和物理规律中，例如，做简谐振动的物体在平衡位置两侧的运动对平衡位置是对称的，竖直上抛运动的上升阶段和下降阶段对最高点是对称的，两点电荷间的电场线对称分布，两相对磁极间的磁感线对称分布，又如某些电路结构的对称性、平面镜成像的对称性，等等。感受对称之美图1-1-4图1-1-6第二节：对称在物理学发展史中作用2.1电磁学的发展史（1）奥斯特发现电生磁

早在1750年著名物理学家富兰克林就已经观察到莱顿瓶放电可使钢针磁化。一直到19世纪初,科学界仍然普遍认为电和磁是两种独立的作用。与这种观念相反,丹麦的自然哲学家奥斯特接受了德国哲学家康德和谢林关于自然和力统一的哲学思想后，坚信电与磁之间一定有着某种联系。经过多年研究,他终于在1820年发现了电流的磁效应:当电流通过导线时，引起导线近旁的小磁针发生偏转。电流磁效应的发现开拓了电与磁研究的新纪元。（2）法拉第发现磁生电

英国物理学家法拉第敏锐地察觉出了奥斯特发现的重要意义，他评价道:“它猛然打开了一个科学领域的大门，那里过去是一片漆黑，如今充满了光明.”奥斯特的实验诱发了法拉第一连串的思考:“电生磁这一现象的逆效应是否存在?能不能用磁体在导线中产生电流呢?既然磁铁可以使近旁的铁块感应出磁,静电荷可以使近旁的导体感应出电荷？那么电流是否也可以使放在近旁的线圈感应出电流?”在法拉第1822年的日记里,他记下了一个大胆设想:“由电产生磁、由磁一定能产生电”。

从此，他就开始了坚持不懈的艰苦探索。开始时,法拉第简单地认为用强磁铁靠近导线，导线中就会产生电流，或者在一根导线里通以强大的电流，在邻近的另一根导线中也会产生电流。在接下来的10年的时间里，他做了大量的实验,均以毫无结果而宣告失败。

在1831年，法拉第把两个线圈绕在一个铁环上(图1-2-2)，一个线圈接电源，另一个线圈接“电流表”。当给一个线圈通电或断电的瞬间，在另一个线圈上出现了电流。他在1831年8月29日的日记中写下了首次成功的记录。法拉第从这个实验中领悟到，“磁生电”是一种在变化、运动的过程中才能出现的效应。于是，他又设计并动手做了几十个实验，使深藏不露的各种“磁生电”的现象显现而出。寻找磁单极子1931年，英国物理学家狄拉克从理论上预言存在着只有一个磁极的粒子──磁单极子。根据磁单极子的理论，电和磁之间的对称性将更加完美。这一动人的前景，吸引了一批又一批的物理学家，用各种方法，各种途径去寻找磁单极子。但是在岩石中，在宇宙射线（即从宇宙空间飞来的粒子）中，以及在加速器实验中窦没有找到磁单极子。也有人推测，磁单极子也可能是在宇宙形成初期产生的，残存下来的比较少，而且分散在广袤的宇宙之中，要找到它并不容易。对称高中物理中的应用如图，P是一块均匀的半圆形薄合金片。先将它按图1-4-4的方式接在电极A、B之间，测出它的电阻为R。再将它按图1-4-5的方式接在电极C、D之间，试求此时P的电阻。第二章：等效思想

等效思想是研究和解决物理学问题的一种很重要的思想,其实质是在效果相同的情况下,将较为复杂的实际问题变换为相对简单的熟悉问题，以便突出主要因素，抓住问题本质，找出其中规律.在应用等效法时，往往是用较简单的因索替代较复杂的因素，以使问题得到简化而便于求解。

如力学中合力和分力的等效替代，运动学中合运动和分运动的等效替代，电学中的等效电阻、等效电容、等效电池等效电路，以及等效物理模型、等效物理过程等等。1.古人对等效的认知2.等效转换法求变力做功

第三章：转换思想

由于一些看不见，摸不着的物质或物理问题，我们往往抛开事物本身，通过研究它们在自然界中表现出来的外显特性、现象或产生的效果等间接地去认识事物的方法，通过对物理过程、物理状态间接研究达到化繁为简，化难为易,间接获取问题解决的一种解决方法。

在物理问题中，往往遇到一些用常规方法难以解决的问题，如研究对象难以确定或研究对象不是理想模型(如质点、点电荷等)，再如问题中所涉及的物理量是非线性变化量，无法用初等数学进行计算等情况。这时可以采取“微元化恒”，即将所研究的对象或者所涉及的物理过程，分割成许多微小的单元，从而将非理想物理模型变成理想物理模型；将曲面变成平面；将曲线变成直线；将非线性变量变成线性变量,甚至常量。然后选择微小的单元，利用常规的方法进行分析和讨论，能够简捷而迅速地得出结果。1．牛顿利用月-地检验间接地证明了万有引力的正确性

开普勒发现行星运行规律后，人们开始思考：行星绕太阳运动背后的原因是什么？牛顿从牛顿运动定律出发，结合开普勒第三定律得出了行星运行的力学本质。牛顿发现：行星与太阳之间引力与距离的平方成反比。2．加俐略从转换思想出发，利用斜面实验间接地研究了自由落体运动规律

在伽利略那个时代，由于物理研究工具简陋，直接研究自由落体运动是非常困难的。于是，伽利略尝试用转换思想进行研究自由落体相似的运动。为了冲淡重力的影响，他设计了斜面实验。让小球从静止开始沿斜面下滑，进而获得了自由落体运动规律。卡文迪许实验巧妙地利用了转换思想

卡文迪许在设计扭称实验时就用到了转换思想。卡文迪许扭秤发生扭转后，引力对T形架的力矩与石英丝由于弹性形变产生的扭转力矩大小相等。只要测出石英丝扭转力矩也就知道了引力力矩。在测量石英丝扭转角度时也用到了转换法。由于这个角度是非常小，直接测量是非常困难的，于是卡文迪许利用平面镜反射光，通过光在刻度尺上移动的距离间接测出扭转角度。空间立体转换为平面

如图所示：12个阻值都是R的电阻，组成一个立方体框架，试求AC间的电阻RAC、AB间的电阻RAB第四章：微元法

微元法又叫“微小变量法”。微元法体现了微分思想，是解物理题的一种常用方法.也是从部分到整体的思维方法。微元法解题体现了微分和积分的思想，考查学生学习的潜能和独创能力微元思想在高中物理教材中有着广泛应用。

用该方法可以使些复杂的物理过程,用我们熟悉的物理规律迅速地加以解决，使所求的问题简单化.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”用必要的数学方法或物理思想处理，进而使问题得解.使用此方法会加强我们对已知规律的再思考，从而起到巩固知识、加深认识和提高能力的作用。中国古代刘徽的割圆术

我国三国时代的数学家刘徽的割圆术就是用圆的内接正多边形的周长无限接近圆周从而求出圆周率。先从圆内接正六边形起，再让边数成倍地增加，依次构成圆内接12、24、48、96...条边的正多边形，并逐个算出它们对应的边长。显然，随着圆内接正多边形边数的增多，其面积会越来越接近整个圆的面积，其周长也会越来越接近圆的周长，这样就可以确定圆周率的大小。刘微说:“割之弥细，所失弥少;割之又割，以至于不可割，则与圆周合体，而无所失矣”。意思就是说：割得越细，正多边形与圆周的误差也越小，这样不断分割下去，最后正多边形近似与圆周重合，便就没有误差了。这就是古代数学史上著名的“割圆术”。2.牛顿和莱布尼茨的微积分什么叫微积分?微积分是一种数学方法。通俗地说，“微分”就是无限细分;“积分”就是对无限累加。微积分的创立,极大地推动了数学和物理的发展，过去很多用初等数学无法解决的问题，现在运用微积分，这些问题可以迎刃而解。所以说微积分是人类智慧的伟大成就之一，已成为现代数学的重要组成部分。如果把整个数学比作一棵大树，那么初等数学就是树根，各种数学分支是树枝，而树干的主要部分就是微积分。可见微积分在数学中举足轻重的地位。

狐狸以不变的速度沿着直线AB奔跑，猎犬以不变的速率追击,其运动方向始终对准狐狸。某时刻狐狸在F处,猎犬在D处，FD⊥AB，且FD=L.如图所示，试求此时猎犬运动加速度的大小。图8-2-1某游乐园入口旁有一喷泉，喷出的水柱将一质量为M的卡通玩具稳定地悬停在空中。为计算方便起见，假设水柱从横截面积为S的喷口持续以速度v0竖直向上喷出；玩具底部为平板(面积略大于S)；水柱冲击到玩具底板后，在竖直方向水的速度变为零，在水平方向朝四周均匀散开。忽略空气阻力。已知水的密度为ρ，重力加速度大小为g。求：(ⅰ)喷泉单位时间内喷出的水的质量；(ⅱ)玩具在空中悬停时，其底面相对于喷口的高度。模型的建立

求解物理问题，很重要的一点就是迅速把所研究的问题归纳到学过的物理模型上来，即所谓的建模.尤其是对新情境问题,这一点就显得更突出。

1.对象模型:即把研究对象的本身理想化，将实际物体在某种条件下进行近似与抽象，包括质点、点电荷.轻绳或杆、光滑平面.轻质弹簧.单摆、弹簧振子.弹性体.理想气体、绝热物质.理想电表.理想变压。2.条件模型:把研究对象所处的外部条件理想化.排除外部条件中干扰研究对象运动变化的次要因人造卫星的圆周运动、“人船模型”、双星模型等。3.状态模型:即把研究对象所处的状态理想化，如共点力平衡状态、杠杆平衡状态、热平衡状态。4.过程模型:把具体物理过程纯粹化、理想化后抽象出来的某种物理过程，称为过程模型.例如：匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速圆周运动、自由落体运动、竖直上抛运动、平抛运动、简谐振动、简谐波、弹性碰撞等。天体模型的建立历程远古的“天圆地方说”模型

远古时代，人类祖先抬头凝望日月星辰。夜晚的满天繁星如同一个大锅盖笼罩着大地，于是便有了“天圆说”。同时，人们由于活动范围的限制，认为地球是方的，因此便有了“地方说”。天空就像一个大碗倒扣在了大地上，日月星辰遍布在碗内。亚里士多德的“地心说”模型

公元前4世纪，亚里士多德（公元前384-公元前322）提出了“地心说”。他认为，地球是宇宙的中心，日月星辰都在不断绕地球运行，所有天体沿各自的圆轨道以不变的速率顺着一个方向绕地球运动运行。

1.3托勒密的“周转圆-均轮体系”模型

哥白尼的“日心说”模型开普勒模型

开普勒（1571-1630）用第谷的观测结果去验证哥白尼提出的“日心说”模型。遗憾的发现，第谷的观测结果与“日心说”不符，但他坚信第谷的观测数据是准确的。开普勒进一