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大学物理的学术论文有哪些

时间:2018-06-15 10:42:38本文内容及图片来源于读者投稿,如有侵权请联系xuexila888@qq.com 曾扬 我要投稿

  大学物理学本身及相关应用科学的发展和创新无不与物理实验密切联系,但是学好物理学并不是一件简单的事情。大家知道大学物理的学术论文应该如何写么?一起看下吧!

  大学物理的学术论文:《试论质点力学在大学物理中的作用》

  牛顿定律为基础的力学理论被称为牛顿力学或经典力学,它曾经被尊为完美普遍的理论而兴盛了约三百年。尽管在二十

  世纪初发现了它的局限性,其在高速领域被相对论所取代,在微观领域被量子力学所取代,但在一般的技术领域,如机械制造、土木建筑,甚至航空航天技术中,经典力学仍保持着充沛的活力而处于基础理论的地位。另外,由于经典力学是最早形成的物理理论,后来的许多理论,包括相对论和量子力学的形成都受到它的影响。后者的许多概念和思想都是由经典力学的概念和思想发展、改造而来。[1]经典力学在一定意义上是整个物理学的基础。

  经典力学中的质点力学和刚体力学基础是大学物理中的必修内容,而质点力学又是大学物理中的开篇内容。质点力学在中学物理中就开始讲授,但在中学物理中质点力学仅限于处理质点作匀速、匀变速运动,质点受恒力作用问题,而在大学物理中的质点力学,不仅仅讲述基本概念、原理和定律,而且将物理学中最常用、最基本的研究方法体现出来,这对学生学习大学物理的后继内容,乃至后继的相关课程都很重要。本文从三方面分析。

  一、建立物理模型的研究方法

  质点力学中建立的第一个、也是最简单的物理模型是质点,它从两个方面反映了运动物体的主要特征:几何点反映了物体的位置;质量反映了物体的惯性。一个物体如果作平动,它的各个部分具有完全相同的运动状态,即具有相同的位移、速度、加速度等,可以用一个点的运动代表物体整体的运动。平动物体可按质点模型处理,如图1所示。如果一个物体自身的线度与它的运动范围的线度相比微不足道,或者在所研究的问题中允许忽略物体各部分运动状态的差异,这样的物体可按质点模型处理。一般对平动物体来说,某个物体能否采用质点模型,并不在于它的大小,而是由研究问题的性质以及对精度的要求来决定的。如果研究问题允许忽略物体各部分运动状态的差异,就可以将物体视为质点,否则就要按其实际形状讨论。

  由质点模型的建立我们看到,模型取代原型有助于概念的形成和运用,有助于问题的分析。建立模型是物理学的基本研究方法,模型的提出有利于概念的建立和规律的表述。例如刚体、理想弹簧、理想气体、点电荷、线电流、光线等等,都是物理规律赖以表达的基本物理模型。

  物理学理论的普适性与运动客体的多样性,要求我们将研究对象理想化。人们对大量物理过程进行清理与概括,寻找过程的基本物理特征,再经过对原型信息的简化压缩,构造出原型的替代物,即模型。物理模型有意突出现象中起主要作用的因素,忽略一切非本质的细节,形成简明的物理图像。一个好的模型具有简单性、概括性和与实验的一致性等特点。[2]模型是理性思维的产物,数学是理性思维的基本形式,建立物理模型是运用数学的前提。

  二、微积分思想和方法的运用

  在中学物理中,主要应用代数运算来分析简单的物理问题。而在大学物理中,微积分的分析方法是解决物理问题的基本方法,这也是学生学习大学物理时感到困难的地方。因此,如何使学生理解微积分思想,熟练运用微积分方法来分析物理问题,就成为大学物理教学中必须解决的问题。

  物理现象和规律的研究都是以最简单的现象和规律为基础的。对于实际中的复杂物理问题,可以先把它分割成许多在较小时间、空间等范围内的相应局部问题,只要局部范围被分割到足够小,小到对于这些局部范围内的问题都可以近似处理为简单、基本、可研究的问题,然后再将所有局部范围内研究的结果积累起来,就可以得到问题的结果。在理论分析时,把分割过程无限地进行下去,局部范围就无限地小下去的过程,便是微分。把所有的无限多个微分元中的结果求和过程,便是积分。这就是大学物理中运用的微积分思想和方法。它把复杂物理问题进行时间、空间范围上的有限次分割,在有限小的局部范围内进行近似处理,然后让分割无

  限地进行下去,局部范围也就无限地变小,因此近似处理也就变得越来越精确,这样,从理论上就能得到精确的结果。[3]通过微积分方法中有限向无限的转化来实现由近似到精确的分析过程,是大学物理中运用微积分思想和方法的关键,而这些思

  想和方法在质点力学中体现得淋漓尽致,学生也是在学习质点力学时第一次接触到用微积分解决物理问题。下面通过例题来进行说明。

  例1,如图2所示,有两个质量分别为M和m的质点,其中质点M固定不动,m经任意路径由a点移到b点,求在此过程中万有引力所做的功。

  分析求解:取M的位置为参考点,设a、b两点距M的距离分别为ra和rb。设在某一时刻质点m距质点M的距离为r,相对于M的位置矢量为r,er为位置矢量r的单位矢,此时m受

  M的万有引力为F=-G 。

  在m沿任意路径由a点移到b点的过程中,F为变力,不能用恒力做功的公式。我们可以取一位移元dr,在此位移元中,F可近似看成是恒力,则在此位移元中F所做的功为:

  dA=F•dr=Fcos(π-θ)|dr|=-Fcosθ|dr| (1)

  由于|dr|cosθ=dr代入(1)式得dA=-G 。

  当质点m从a点沿任意路径到达b点,F所做的功为:

  A= dA= -G dr=GMm( - )

  这个例题是质点力学中把复杂物理问题进行空间范围上的有限次分割,然后在有限小的局部范围内进行近似处理,再通过微积分将有限向无限的转化,实现由近似到精确求解的一个典型例题。

  下面再举一个质点力学中把复杂物理问题进行时间范围上的有限次分割的典型例题。

  例2,有一冲力作用在质量为0.3kg的物体上,已知力的大小F随时间t的变化规律为:

  25×104t 0≤t≤0.02

  2.0×105(t-0.07)2 0.02≤t≤0.07

  式中F的单位为N,t的单位为s。求0~0.07s时间间隔内F的冲量大小。

  分析求解:在0~0.07s时间内F为变力,不能用恒力冲量的公式。我们可以任取一时间元dt,在此时间元中,F可近似看成是恒力,则在此时间元中F的冲量大小为:

  dI=Fdt

  这个例题是质点力学中把复杂物理问题进行时间范围上的有限次分割,然后在有限小的局部范围内进行近似处理,再通过微积分将有限向无限的转化,实现由近似到精确求解的一个典型例题。

  三、三个基本守恒定律的提出

  质点力学指出,当力作用于质点或质点系时,往往有一段持续时间,或者持续一段距离,这就是力对时间的积累作用以及力对空间的积累作用,在这两种积累作用中,质点或质点系的能量、动量或角动量将发生变化或转移。当系统外力满足一

  定条件时,在变化过程中的系统作为整体可能出现守恒的运动量。在质点力学中,由牛顿定律推出了 机械能守恒、动量守恒和角动量守恒三个守恒关系,使复杂的力学研究得以简化。但是能量守恒与转化定律、动量守恒定律和角动量守恒定律的适用范围比牛顿定律更为广泛,它们不仅适用于力学,而且为物 理学中各种运动形式所遵守。例如在微观领域中,牛顿定律已不适用,但这些守恒定律依然适用。比如爱因斯坦光电效应方程的提出,就是在微观领域中运用了能量守恒与转化定律;而康普顿效应的解释,则是在微观领域中运用了动量守恒定律及能量守恒与转化定律。

  在物理学中,守恒定律是最强有力的分析手段。它们的实质是:在某种确定 环境下,相互作用的物体无论发生什么样的变化,仍然有这种或那种可测度的量(如能量、动量、角动量等)的总和,在整个观察期间保持不变。守恒定律能透过零乱复杂的表面变化,指出一种或几种潜在的内部稳定性,这种稳定性一旦被确认,系统便由混乱变得井然有序。我们可以通过下面的例题略见一斑。

  例3,如图3所示,一质量为1kg的小球系在长为lm的细绳下端,绳的上端固定在天花板上。起初把绳子放在与铅垂线成30°角处,然后放手使小球沿圆弧下落,试求绳与铅垂线成10°角时小球的速率。

  分析求解:当绳与铅垂线的夹角为θ时,小球受到绳的拉力T和重力mg的作用。由于小球在运动的过程中T是变化的,因此用牛顿定律解决此题比较麻烦。但由于T方向始终与小球的运动方向垂直,在小球运动的过程中不做功,而mg则是保守力,因此小球在运动的过程中满足机械能守恒的条件。

  先设小球质量为m,绳长为L,在起始时刻绳与铅垂线的夹角为30°,小球的速率v0=0;当绳与铅垂线的夹角为10°时,小球的速率为v。并设小球的末位置所在水平面为零势面,由机械能守恒定律得:

  mgh=mg(Lcos10°-Lcos30°)= mv2

  例4,一静止的物体,由于内部作用而炸裂成三块,其中两块质量相等,并以相同的速率30m•s-1沿相互垂直的方向分开。第三块质量3倍于其它任一块的质量,求第三块的速度大小和方向。

  分析求解:由于物体因内部作用而炸裂,外力(重力)远小于内力,可以忽略不计,因此满足动量守恒条件。由于物体最初动量为零,故炸裂后三块的总动量也应该为零。设三块的速度分别为v1、v2、v3,质量分别为m1、m2、m3,则有:

  m1v1+m2v2+m3v3=0或m3v3=-(m1v1+m2v2)

  即第三块的动量与第一、第二两块动量的矢量和大小相等、方向相反,它们之间的关系如图4所示。

  已知v1与v2相互垂直,故有

  (m3v3)2=(m1v1)2+(m2v2)2

  已知m1=m2,m3=3m1,v1=v2=30m•s-1(2)

  由(2)式可得:(3v3)2=。

  解得v3= v1= ×30=14.1m•s-11。

  又有tanθ 。

  此结果说明v3与v1之间的夹角为135°。

  例5,一人造卫星绕地球沿椭圆轨道运动,地球的中心O为该椭圆的一个焦点,如图5所示。已知地球的平均半径R=6370km,人造卫星近地点P1的高度h1=439km,速度为v1=8.11km•s-1,远地点P2的高度h2=2384km,求人造卫星在远地点P2的速度。

  分析求解:人造卫星的运动可认为仅受地球对它的引力,由于该引力始终指向地球中心O,相对于O点的力矩为零,因此人造卫星在运动中相对于点O的角动量守恒。

  人造卫星在近地点P1的角动量为:L1=mv1(R+h1)。

  在远地点P2的角动量为:L2=mv2(R+h2)。

  由角动量守恒定律得:

  mv1(R+h1)=mv2(R+h2)

  v2=v1 =6.31km•s-1

  四、结 论

  在质点力学中,讲述了物 理学中最基本的研究方法——建立物理模型;训练了解决物理问题的基本的方法——微积分分析方法;同时还提出了物理学中各种运动形式所遵守基本守恒定律。因此,质点力学是大学物理中第一块、也是最重要的一块基石。

  大学物理的学术论文:《浅谈大学物理优先教学》

  概念,是指在认识事物的过程当中,对事物的共同本质加以抽象概括,从感性认识上升到理性认识。物理学的发展过程是科学家为了解决自然界遇到的新问题而不断探索的过程,所提物理概念是对所描述对象的高度概括[1]。大学物理是高等院校理工类专业开设的一门公共基础课。物理概念在大学物理教学过程中起到非常重要的作用、也是能否学好物理的关键,它是对物理基本理论、基本定律进行理解和掌握的前提和条件,也是大学物理知识体系的基础和核心。

  对大学物理概念的教学是能否实现提高教学质量、实现教学目的的关键。在大学物理教学过程当中应重视对概念的讲解、讨论及应用,这就要求要把对概念的教学放在优先考虑的地位。物理学是探索物质结构及其运动规律的科学,涉及力、热、电、光、原(子)等,大学物理学上的许多概念在医学、化学、数学、天文学、建筑学等学科上有着重要的应用,概念优先教学法能够启发学生对于物理学的直觉,有效的促进教学质量及教学效果的提高,使得对物理概念的教学在课堂上越来越受重视。

  1概念教学阶段分析

  其实,处于大学学习阶段的学生,对事物的发展规律及特点具备了一定程度的认知能力,所以在对大学物理概念进行讲解的时候,尽量避免和盘托出式的展现,教师应采取灵活多样的方式引入概念,简述概念产生时的背景与基础、解释引入概念的必要性和合理性,以激发学生的学习兴趣,帮助学生由感性认识上升到理性认识,再给出严格的定义。

  例如学习刚体一章引入转动惯量这一概念时,先从计算刚体的转动动能入手,让学生意识到引入转动惯量的必要性后,再给出严格的物理定义。在引入驻波的概念之前,首先让学生看一段关于浪尖上的舞蹈———欧洲驻波冲浪锦标赛的视频,从而激发学生兴趣、引发学生思考。采用非正式的、直觉性的想法过渡到它们的正式定义和物理名词。与看上去随意地、直接地被正式定义相比,这种采用富于启发性方法引入的概念,更容易被学生记忆和掌握[2]。

  为了使学生对概念有着准确的理解与掌握,还要明确概念的内涵与外延。部分学生以为对于大学物理的学习只要把相关的概念、公式、定理、定律等进行机械记忆,然后根据题意代入相关的数据,最后运用数学知识解出结果即可,导致了只要题目给出的物理情景稍加变换,就很容易出错,也找不出问题出在何处。如在学习光学中关于薄膜干涉的应用———牛顿环时,教材上所给出的装置是由一块曲率半径很大的平凸透镜和一块平面玻璃相接触而构成的,凸透镜与平面玻璃之间是空气,形成一个空气劈,当垂直入射的光在空气劈的上下两个表面时,产生的光程差有附加光程差,在环心所对应的劈尖厚度为零时,光程差是半波长的奇数倍,环的中心是暗纹,有的学生就机械的教条的记住这一点。

  但当把牛顿环装置中的凸透镜与平面玻璃之间的空气换成某种介质,并使这种介质的折射率大于构成透镜材料的折射率,而又小于构成平面玻璃材料的折射率时,环的中心变为亮纹就不可理解了,因为这部分学生没有理解由于半波损失引起附加光程差概念的深刻理解,只是教条的记住教材上给出的结论,没明确概念的内涵与外延,没有弄清楚当光在劈尖上下两个表面反射都有半波损失时,光程差中的附加光程差相互抵消,就不再有附加光程差了,在劈尖厚度为零的情况下,光程差为波长的整数倍,使得环心变为亮纹了。概念图也是概念优先教学法的重要组成部分,概念图作为一种教学技术由康奈尔大学的J.D.Novak博士根据DavidP.Ausubel的有意义学习理论提出的[3]。

  Novak指出概念图是某个主题的概念及其关系的图形化表示、是用来组织和表征知识的工具。通过概念图的方式,可以清晰的反映出概念与概念之间的关系,同时可以使学生建立起新概念与旧概念之间的联系,将所要学习的新知识同化到已掌握的概念系统当中,从而系统的掌握所学知识架构,同时也培养了学生的发散式思维模式、发掘学生的潜能、创造解决问题的新方式。

  通常概念的外延是按照由大到小的原则,以《大学物理》所涉及的光学内容的概念图如图1所示:概念图让平时所学的零零碎碎的知识系统化、条理化,并使学生在开阔视野、激发学习兴趣及培养逻辑思维能力等方面得到有效的提高,更加促进了对所学概念的理解和应用。

  2概念的教法

  深入理解并掌握基本概念是大学物理教学的基本要求,因为是否具有扎实的物理基础知识直接影响到后续专业课的学习效果。在进行大学物理教学的过程当中必须把概念放在优先的位置,根据大学物理课程的特点,对其中概念的教学方法大致有以下三种:

  2.1定义法物理定义是指对一种物理现象的本质特征及对一个物理概念的内涵外延的精要说明。在物理中有许多基础性的概念都是由定义法给出的,如位矢、温度、压强、电场强度、磁通量、光程、黑体、势垒贯穿等。对于这些基础性的物理概念的教学,无需过多的分析与讲评,直接以定义的形式给出,教学效果会更好。

  2.2比较法“比较法”是在教学过程中常用的思维方法之一,尤其是在大学物理概念教学的过程当中,有些物理概念在新引入时,如果与已掌握的比较熟悉的概念加以联系,采用比较法对不同物理概念间的相同特征或相异特征进行比较与鉴别,会加深对物理概念的理解与掌握,揭示概念的本质与区别,起到事半功倍的作用。比如在学习刚体转动时出现的角加速度、转动惯量、转动动能等新的物理概念时,可以与学生已经熟悉的有关一维运动的相关概念进行比较:

  2.3实验法物理学是一门以实验为基础的科学,在进行物理概念的教学过程中,教师通过演示实验,让学生通过观察实验后再引入物理概念,例如在引入衍射的物理概念时,可以首先演示单缝衍射的实验,让学生观察当激光通过单缝后在屏上所呈现的明暗相间的条纹,从而引出光在传播的过程中,能绕过障碍物继续传播的现象,从而引出衍射的概念。在大学物理的教学内容中,如艾里斑、光电效应、光的干涉、双折射、光的偏振等许多物理概念都可以通过实验法引入,这样一方面加深了学生对物理概念的理解、提高了学习兴趣,另一方面也训练了学生的逻辑思维能力、培养了学生的创新意识。

  3概念的应用

  “学以致用”是理工类院校培养应用型人才的目标,大学物理的基本概念和理论渗透在自然科学的各个领域并广泛地应用于生产技术的各个部门,故在进行大学物理的概念教学过程中要始终贯穿应用的理念。概念的形成并没有在概念定义之后就算结束,要想真正掌握物理概念,还必须经过巩固、深化的过程[4]。在完成概念的引入后,任课教师针对学生所学的专业方向引导学生进行相应的练习,通过练习,教师也要及时了解学生对所学概念的掌握情况,不断优化自我的教学设计及提高教学效率。大学物理是理工类院校的一门重要的基础课,对基础性知识的掌握情况是提高物理教学质量的关键。物理概念作为构成物理理论体系最基本的知识单元,必须把它放在优先教学的地位,只有在教学的过程中不断创新教学理念与教学方式,以科学的态度认认真真的把物理概念教好,才能让学生不仅能够掌握概念的内容,更能够理解概念的内涵与外延,体会到蕴含在概念中的物理思想和科学价值,为着力培养基础扎实、知识面宽、能力强、素质高的人才而不断努力。

  参考文献:

  [1]申先甲,李艳平,刘树勇,等.谈谈物理学史在素质教育中的作用[J].大学物理,2000,19(11):36-40.

  [2]AlanGiambattista,BettyMcCarthyRichardson,RobertC.Richardson.CollegePhysics[M].2013.6CHINAMACHINEPRESS.

  [3]NovakJD.TheTheoryUnderlyingConceptMapsandHowToConstructThem[DB/OL].

  [4]王建涛,郑福臣,王海英.物理概念学习的障碍及教学策略[J].教学与管理,2010,(10):132-133.

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