物理方法不僅是科學(xué)家研究問題的方法,也是學(xué)生學(xué)習(xí)物理時(shí)常用的方法,新課程標(biāo)準(zhǔn)也要求學(xué)生掌握一些探究問題的物理方法。
模型法就是用簡(jiǎn)單易懂的具體模型來表示抽象的物理現(xiàn)象,例如用太陽系模型來表示原子結(jié)構(gòu),用簡(jiǎn)單的線條來表示杠桿。
控制變量法自然界中發(fā)生的各種現(xiàn)象往往錯(cuò)綜復(fù)雜,決定某種現(xiàn)象發(fā)生和變化的因素往往有很多。為了找出事物變化的原因和規(guī)律,就必須設(shè)法用人為的方法控制其中的一個(gè)或幾個(gè)因素,使它們保持不變,然后再比較研究另兩個(gè)變量之間的關(guān)系。這種研究問題的科學(xué)方法就是“控制變量法”。初中物理實(shí)驗(yàn)大多采用這種方法。例如,通過導(dǎo)體的電流I,受導(dǎo)體的電阻R和其兩端電壓U的影響。研究電流I與電阻R的關(guān)系時(shí),需要保持電壓U不變;研究電流I與電壓U的關(guān)系時(shí),需要保持電阻R不變。
換算方法:有些看不見、摸不著的物理現(xiàn)象很難直接認(rèn)識(shí),所以我們常常根據(jù)它們表現(xiàn)出來的看得見、摸得著的現(xiàn)象來間接地認(rèn)識(shí)它們,例如根據(jù)電流的熱效應(yīng)來認(rèn)識(shí)電流的大小,根據(jù)磁場(chǎng)對(duì)磁鐵的強(qiáng)作用來認(rèn)識(shí)磁場(chǎng)等。
在研究物理問題時(shí),有時(shí)為了簡(jiǎn)化問題,常常用一個(gè)物理量代替其它所有物理量,但其物理效果不會(huì)改變。例如用合力代替各分力,用總阻力代替各分阻力,用浮力代替液體對(duì)物體的各壓力等。
我們?cè)诶斫庖恍┪锢砀拍畹臅r(shí)候,常常會(huì)把它和生活中熟悉的具有共同特征的現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比,以幫助我們理解。比如,我們理解電流的大小時(shí),會(huì)用水流來類比。我們理解電壓時(shí),會(huì)用水壓來類比。
控制變量法:測(cè)量小燈泡的電阻
等效替代法:分力與合力
建模方法:光線、磁通線
類比法:用水壓類比電壓
類比:通過比較兩個(gè)形式相同的事物(通常是相同形式的數(shù)學(xué)公式),直接從已知事物得到未知事物。
例如電學(xué)中的庫侖力公式和力學(xué)中的萬有引力公式,都與r的平方成反比,因此二者的功和能量公式可以通過類比得到,而不需要專門的計(jì)算(計(jì)算需要積分)。
比較法:可以將兩個(gè)相同或相反的事物進(jìn)行比較,這種情況下比較法與類比法基本相同。有時(shí)比較就是看兩個(gè)物理過程的相同點(diǎn)和不同點(diǎn),如功和能量的相同點(diǎn)和不同點(diǎn),一個(gè)是過程量初中物理等效替代法,一個(gè)是狀態(tài)量。
等效方法:一個(gè)物理過程很難表達(dá)和計(jì)算,但是如果我們知道它產(chǎn)生的效果與另一個(gè)比較容易實(shí)現(xiàn)的物理過程相同,則可以用后者代替前者。
例如,可以證明一條無限長(zhǎng)帶電直線對(duì)直線外的一個(gè)點(diǎn)電荷(設(shè)距離為r)所施加的力,等于一個(gè)半徑為r的帶電半圓對(duì)圓心處的一個(gè)點(diǎn)電荷所施加的力,這兩個(gè)物理模型是可以互相替代的。
模型法:將比較復(fù)雜的實(shí)際問題簡(jiǎn)化為物理模型。
例如:在天體運(yùn)動(dòng)中,天體實(shí)際上是許多不規(guī)則的球體,可以簡(jiǎn)化成一個(gè)個(gè)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。
控制變量法:對(duì)于有多個(gè)變量的問題,情況往往比較復(fù)雜,此時(shí)可以固定其他變量,只討論一個(gè)變量的變化對(duì)問題的影響。
例如,理想氣體的狀態(tài)方程最初是通過實(shí)驗(yàn)得到的,人們研究了理想氣體在等溫、等壓、恒容過程中體積、溫度、壓強(qiáng)、質(zhì)量之間的關(guān)系,推導(dǎo)出一系列實(shí)驗(yàn)定律,最后總結(jié)為克拉佩龍方程:PV=nRT
補(bǔ)充:
假設(shè)實(shí)驗(yàn)法:有些物理實(shí)驗(yàn)不容易完成,但我們可以在理想條件下進(jìn)行假設(shè)實(shí)驗(yàn),并得出結(jié)論。
例如,伽利略駁斥了輕物體下落速度比重物體慢的論點(diǎn)。想象一下,把一個(gè)輕物體和一個(gè)重物體綁在一起,然后把它們?nèi)酉氯ァD敲?(1) 拉著重物體的輕物體應(yīng)該比重物體下落得慢;(2) 組合后的物體更重,下落速度應(yīng)該更快。這兩者是相互矛盾的。
線性疊加法:線性物理公式(即一階物理公式)可以任意疊加或拆分。由于物理公式反映的是物理現(xiàn)象的原理,所以復(fù)雜的物理現(xiàn)象也可以拆分或疊加,分別計(jì)算,然后還原。
例如,電路中的電流是線性可疊加的,因此,在利用基爾霍夫定律解決復(fù)雜電路問題時(shí)初中物理等效替代法,可以把一個(gè)電路拆成幾個(gè)電路,然后把它們相加。
再如:在經(jīng)典物理學(xué)中,位置是矢量,可以疊加,速度、加速度等都是位置關(guān)于時(shí)間的微分,都是線性的,因而可以疊加。因此,就有運(yùn)動(dòng)的合成與分解,如斜拋運(yùn)動(dòng)可以看作是勻速直線運(yùn)動(dòng)與自由落體運(yùn)動(dòng)的疊加。
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