25五、总结物理规律的方法.ppt

物理规律v物理规律(包括物理原理、定律、定理、法则、公式等)反映了物理现象、物理过程在一定条件下必然发生、发展和变化的规律，它反映了物质运动变化的各个因素之间的本质联系，揭示了事物本质属性之间的内在联系。物理规律是中学物理基础知识中最重要的内容，也是物理知识结构体系的枢纽。因此，物理规律教学是中学物理教学的中心任务。我们必须在概念教学的基础上，切实抓好物理规律的教学。物理规律的教学，不仅要使学生全面地掌握物理规律的内容和结论，而且要通过物理规律教学，使学生尽可能地体验总结物理规律的过程，掌握研究物理的科学方法，进一步提高实验观察能力、科学思维的能力和运用规律分析问题、解决问题的能力。规律教学中的方法因素规律教学中的方法因素v总结规律的基本方法总结规律的基本方法 v 实验归纳法实验归纳法 逻辑推理法逻辑推理法 理想实验法理想实验法 假说假说 图象法图象法v总结规律的数学表达式总结规律的数学表达式 v 作单因子实验作单因子实验 v 写成数学关系写成数学关系 v简化数学表达式（如：外推法简化数学表达式（如：外推法改变坐标改变坐标 原点；改变坐标参量原点；改变坐标参量斯涅尔定律）斯涅尔定律） v介绍物理学家的方法论思想介绍物理学家的方法论思想v重要物理规律发现中的方法论思想重要物理规律发现中的方法论思想v介绍物理学家的失误介绍物理学家的失误一、总结物理规律的基本方法一、总结物理规律的基本方法 在中学物理中，总结物理规律的基本方法有五种，包括 实验归纳法 理想实验法 逻辑推理法 假说法 图像法 一、总结物理规律的基本方法一、总结物理规律的基本方法v1.实验归纳法实验归纳法v所谓归纳法，是从一些特殊的事实中概括出一般性结论的思维方法，是从许多同类的个别事物中找出它们共同点的过程。在物理学中运用归纳法的基础主要是实验，由于实验不但能够重复进行，而且能够准确地反映事物各个部分之间或过程的不同阶段之间的相互联系。因此，实验归纳法是总结物理规律最基本的方法。实验归纳法是在对物理现象和过程进行大量的观察和实验的基础上，对取得的大量资料进行分析、综合、概括和归纳，从中找出有关物理量之间的内在联系，得出结论或建立假说，再通过观察和实验进一步验证规律的过程。v运用实验归纳法时，常常借助于图像，即把实验所得的数据一、总结物理规律的基本方法一、总结物理规律的基本方法v在坐标系中画点、连线，从分析图线中总结规律。由于条件所限，实际运用的经常是简单枚举归纳法。运用实验方法总结规律时，如果一开始就把所有的因素都考虑进去，势必造成实验的困难，所以人们经常采用单因子实验法（控制变量法）。v许多规律的得出运用了实验归纳法，如阿基米德定律、帕斯卡定律、功的原理、欧姆定律、光的折射定律等。一、总结物理规律的基本方法一、总结物理规律的基本方法v实例：11-01提出问题； v实例：11-02设计实验；v实例：11-03实施实验； v实例：11-04汇报实验现象；v实例：11-05找出共同点； v实例：11-06总结产生电流的条件；v实例：11-07总结规律一、总结物理规律的基本方法一、总结物理规律的基本方法v2.理想实验法理想实验法v理想实验也叫假想实验，它是一种形象思维与抽象思维相互作用的思维过程，借助于逻辑推理，又辅助以形象变换。它以真实的科学实验为基础，以逻辑法则为依据，用思维来展开实验过程。它具有真实物理实验的一些特点，又不同于实际实验。所以，也可以说理想实验是一种带有浓郁物理学色彩的逻辑推理，是人们在思想上塑造的理想过程。v中学物理教材中研究牛顿第一定律、理想气体状态方程时都用了这种总结物理规律的方法。v实例：11-08理想实验 11-16真空铃 60 理想气体状态 方程一、总结物理规律的基本方法一、总结物理规律的基本方法v3.逻辑推理法逻辑推理法v所谓逻辑推理法，就是在已有的定律的基础上，结合一些概念，运用数学知识推证而得出结论的方法。逻辑推理的过程即理论分析的过程，就是利用已有的物理概念和物理规律，通过物理思维或数学推理，得出新的物理规律。例如，动量定理和动能定理都可运用逻辑推理法得出。v逻辑推导过程经常与实验结合进行。例如，可以利用欧姆定律结合串并联电路中电流、电压的实验关系，利用简单的数学知识推导出串并联电路中总电阻的计算公式。运用逻辑推理法还可以推导出一些用实验归纳法总结的规律，如阿基米德定律、物体的浮沉条件等。至于逻辑推理法证得的结论正确与否，还需要用实验加以验证。限于实验条件，有一些定量描述的规律不易做出精确的演示实验，可采用定性演示结合理论推导的方法得出，如焦耳定律。v实例：11-09逻辑推导 11-17 实验与理论推导相结合一、总结物理规律的基本方法一、总结物理规律的基本方法v4.假说法假说法v假说法是科学研究中的一种假设性的科学解释，它是真理发展过程中的一种形式和研究方法。当人们在研究过程中遇到了一种运用现有的理论无法解释的新事实时，常常提出仅以有限数量的事实和观察为基础的新解释，这就是假说。而当假说被证明正确时，便发展成为理论。假说具有科学性、猜测性、可变性，是一种重要的物理研究方法。如分子运动论、原子结构中的卢瑟福核式结构模型、玻尔量子假说、超导研究中的BCS理论等，都曾经或仍以假说的形式出现。v实例：11-10假说法一、总结物理规律的基本方法一、总结物理规律的基本方法v5.图像法图像法v所谓图像法，就是假设某一物理量Y随另一物理量X而变，从实验和观察中测出一系列与X相对应的Y值后，在直角坐标系中分别标出与各组测量结果对应的点，再用光滑的曲线把各点连接起来(曲线不一定要通过每个点，但是要使曲线尽可能靠近各个点)构成图像，然后分析图像找出规律；或者与己经知道数学关系式的图像对比，得出定量的函数关系。v例如，运用磁感线研究磁场、运用几何作图法研究光具的成像规律等，都体现了图像法形象而直观的特点。图像法是研究物理学的重要方法之一。v实例：11-11欧姆定律二、总结物理规律数学表达式的步骤二、总结物理规律数学表达式的步骤v总结物理规律数学表达式的步骤可以概括为三步曲，作单因子实验写成数学关系式简化数学表达式。二、总结物理规律数学表达式的步骤二、总结物理规律数学表达式的步骤v第一步，作单因子实验。单因子实验法又叫控制变量法。所谓控制变量法是指当研究多个因素之间的关系时，往往先控制住其它某几个因素不变，集中研究其中一个因素变化对另一个因素所产生的影响。把所研究的问题先转化为一个物理量与某个物理量之间的关系问题，最后把各种关系整合起来得到正确的结论。二、总结物理规律数学表达式的步骤二、总结物理规律数学表达式的步骤v第二步，写成数学关系式。通过作单因子实验，得到几组数据，从实验数据中可总结出一个物理量与其它几个物理量之间的关系，把这些关系用数学关系式表示出来。比如，总结部分电路欧姆定律的数学表达式时，通过控制变量法，得出电流I与电压U成正比，与电阻R成反比，可写出，K为比例系数。通过规定电阻单位的方法，使K1，则 二、总结物理规律数学表达式的步骤二、总结物理规律数学表达式的步骤v第三步，简化数学表达式。v为了公式的简洁美观，更为了有利于学生记牢公式，经常对第二步得出的数学关系式进行简化。下面详细介绍简化数学表达式的具体方法。v实例：11-12数学表达式 怎样总结物理规律的数学表达式怎样总结物理规律的数学表达式1.实验归纳法总结部分电路欧姆定律的数学表达式 作单因子实验作单因子实验a.a.先固定导体的电阻不变，先固定导体的电阻不变， 改变导体两端的电压，改变导体两端的电压， 观观 察电流与的关系，察电流与的关系， 可得可得 b.b.固定电压不变，改变电阻，固定电压不变，改变电阻， 观察与的关系，观察与的关系， 可可 得：得： 1 1 综合与两式可得综合与两式可得 写成数学关系式（即将写成数学关系式（即将写成等式）写成等式） 规定单位：如果导体两端的规定单位：如果导体两端的 电电 压为伏特，通过的电流为压为伏特，通过的电流为 安培安培， 此时导体的电阻称为欧姆此时导体的电阻称为欧姆 D根据式及上述规定导体两端的电压 导体电阻 产生电流 伏伏 欧欧 安安v 伏伏 欧欧 安安v 伏伏 欧欧 安安 v v 伏伏 欧欧 安安再根据式再根据式v 电电 压压 电电 阻阻 电电 流流v 伏伏 欧欧 安安v 伏伏 欧欧 安安v v 伏伏 欧欧 安安v 即 。此式即部分电路此式即部分电路v 欧姆定律的表达式。欧姆定律的表达式。 将将写成等式理应为：写成等式理应为：（），由于上述（），由于上述 规定单位的方法，使得，规定单位的方法，使得，所以公式最简单。凡是遵循正比所以公式最简单。凡是遵循正比 例或反比例关系的物理规律，如：例或反比例关系的物理规律，如：阿基米德定律、焦耳定律等阿基米德定律、焦耳定律等 都可都可以经过如上类似步骤总结出数学以经过如上类似步骤总结出数学表达式。表达式。 将将写成等式理应为：写成等式理应为：（），由于上述（），由于上述 规规定单位的方法，使得，所定单位的方法，使得，所以公式最简单。凡是遵循正比例以公式最简单。凡是遵循正比例或反比例关系的物理规律，如：或反比例关系的物理规律，如：阿基米德定律、焦耳定律等都可阿基米德定律、焦耳定律等都可以经过如上类似步骤总结出数学以经过如上类似步骤总结出数学表达式。表达式。 总结牛顿第二定律的数学表达式作单因子实验作单因子实验a.先固定先固定物体的质量物体的质量m不变，不变， 改变改变物体所受的合外力物体所受的合外力F， 观观 察察加速度加速度a与与F的关系，的关系， 可得可得aF b.固定固定物体所受的合外力物体所受的合外力F不变，改变不变，改变物体的质量物体的质量m ， 观察观察加速度加速度a与与m的关系，的关系， 可可 得：得： a1m 综合与两式可得综合与两式可得aFm ？ 写成数学关系式（即将写成数学关系式（即将aFm写成等式）写成等式） 规定单位：如果规定单位：如果物体的质量为物体的质量为1， 物体得到的加速度为物体得到的加速度为mS2此时此时物体所受的合外力物体所受的合外力F 牛牛 D根据式及上述规定物体所受合外力 物体质量 产生加速度 牛牛 千克千克 v 牛牛 千克千克 v 牛牛 千克千克 v v F牛牛 千克千克 F 再根据式再根据式v物体所受合外力 物体质量 产生加速度v F牛牛 千克千克 F v F牛牛 2千克千克 F2v F牛牛 3千克千克 F3v F牛牛 m千克千克 Fm 即 aFm。v 此式即牛顿第二定律的数学表达式。此式即牛顿第二定律的数学表达式。三、简化物理规律数学表达式的方法三、简化物理规律数学表达式的方法v在中学主要应用改变坐标原点和改变坐标参量的方法来简化物理规律数学表达式。三、简化物理规律数学表达式的方法三、简化物理规律数学表达式的方法v1外推法外推法v外推法即改变坐标原点。外推法的含义之一，就是扩大或者延伸原来已知的物理规律的适用范围或者改变研究的条件，进一步探讨规律合理性的一种方法。例如，查理定律的数学表达式为。如果选为新的温度坐标的原点，则，查理定律就可以表示为简单形式，即。这里应用的就是外推法。v实例：11-13外推法1 ； 实例：11-14外推法2简化数学表达式的方法简化数学表达式的方法 外推法：即改变坐标原点外推法：即改变坐标原点, ,例如，查理定律的数学表达式例如，查理定律的数学表达式为为 图象如图所示。如图象如图所示。如 果把果把延相交横轴于延相交横轴于。则则，若选若选为为新的温度坐标的起点，新的温度坐标的起点，则则-2730tpBAT0)2731 (0tPPt ，查理定律，查理定律就可以表示为更简形式，就可以表示为更简形式，即即 三、简化物理规律数学表达式的方法三、简化物理规律数学表达式的方法v2改变坐标参量法改变坐标参量法v改变坐标参量法就是合理地改变物理规律图像的坐标参量，进而探讨物理图像表现形式的一种方法。例如，人们最早研究光的折射现象所得到的折射角与入射角的数据，描绘的图像是一条曲线，它既不是一次函数也非几次函数的图像，因此难以写出简单的数学表达式。但是如果把坐标参数改为角的正弦函数，则关系曲线变为直线，得出斯涅尔折射定律。这里应用的就是改变坐标参量法。v实例：11-15 改变坐标参量改变坐标参量改变坐标参量 例如，根据人们最早研究光的折射现例如，根据人们最早研究光的折射现象所得的折射角象所得的折射角与入与入 射角的数据，射角的数据，描绘的图象是一条曲线，它既不是一次描绘的图象是一条曲线，它既不是一次函数也非几次函数图象，当然难以写出函数也非几次函数图象，当然难以写出数学函数式数学函数式。可是若把坐标参数改为可是若把坐标参数改为和，则关系曲线变为直线，和，则关系曲线变为直线， 故有故有 这一简单关系，即斯涅尔折射定律。不过这一简单关系，即斯涅尔折射定律。不过想到这一点是不易想到这一点是不易 的，几乎经历了一千年的，几乎经历了一千年的漫长时间。的漫长时间。四、如何应用因果分析法总结规律四、如何应用因果分析法总结规律v实例1 二种电荷 11-20v实例2 安培定则 11-21v实例3 电磁感应 11-22v实例4 楞次定律 11-23(WORD)v 汇总 11-23(PPT)比较比较的次的次序序比较的对象比较的对象I感向原原方向方向原增减增减 结结 论论3求同求同图图相同相同不同不同不同不同无法判断无法判断因果关系因果关系4图图相同相同不同不同不同不同1求异求异图图不同不同相同相同不同不同I感向感向 与与原原增减增减 有关有关6图图不同不同相同相同不同不同2图图不同不同不同不同相同相同I感向感向 与与原原方向有关方向有关5 图图不同不同不同不同相同相同