‘壹’ 数学知识在物理上的应用有哪些
数学知识在物理上的应用有哪些
重心 是规则图形数学是一门非常重要的基础学科，尤其在理解物理概念、物理规律以及解决物理问题时，数学知识起着重要的工具作用。有些初中学生数学学得比较好，但物理不一定学得好，因为这些学生往往用纯数学的思维方式理解物理概念、规律或求解物理问题，这样就造成了学生在应用数学知识解决物理问题时容易出现错误，解决上述问题的有效途径就是把物理问题转化为数学问题，有效的运用数学知识来解决物理问题。一、用数学式子表达物理概念、物理规律，用字母表达物理量、已知量、未知量。初中学生初学物理时往往对用符号表示物理量之间的关系式不习惯，不会应用这些物理量的符号去表示相应的数字信息，不清楚公式中的符号哪些是已知的，哪个是未知的，导致公式变形出错，乱套公式，物理结果出错。 解决途径：（1）首先引导学生学会“读题 → 标量 → 选公式”的方法。即学生边读题，边在相应的数字下面标上相应的物理量的符号，这样做的目的就是明确了已知量和未知量，再根据物理问题情境选择恰当的公式来求解。（2）解题时强调运用“三步法”，即“公式 → 带入数据 (数字+单位) → 结果（数字+单位）”。要让学生明确物理公式是解决物理问题的重要依据，所以要先写出公式，再带入相应的数字和单位，然后运用数学知识进行计算得结果。（3）物理量用规定的符号来表示，学生往往不能把字母和它表示的物理量联系在一起。如学生在数学中未知数都可以用X、Y表示，有时学生在解决物理问题时，不管是求哪个物理量，他们都用X、Y表示，这样不便于理解物理含义。在分析题时让他们在物理量的旁边写出表示这个物理量的符号，再看求哪个量就用他在这个物理量旁边标出的字母来表示。 通过不断强化及练习，学生学会了运用数学能力来求解物理问题，使学生对符号的认识由不熟悉到能够灵活运用。二、用方程表达物理关系、解决物理问题。学生往往在数学中会列方程解方程，但不会求解物理关系式。 解决途径： 教师应教会学生将物理关系式与数学方程概念有机的结合起来，让学生理解物理关系式实际上是将方程概念赋予了具体实际的内容。在建立物理情境的基础上，利用数学方法求解物理问题。 例如：用弹簧测力计提着体积为10cm3的铁块浸没水中，不触底，此时用弹簧测力计的示数多大？ 引导学生分析：求弹簧测力计的示数多大，实际是求铁块在水中受到向上的拉力多大。（1）受力分析，画出受力示意图，如图：重力、浮力、拉力。（2）引导学生分析能求哪些量：如：F浮= ρ水 gV铁，G=ρ铁 gV铁（3）建立力的平衡式 F拉 + F浮=G （4）代入求解 F拉 =G + F浮 可以看出物理中力的平衡式实际上就是数学中的方程式，教师再引导学生利用数学方程思想来求解物理问题。通过例题分析、训练，学生逐步增强数理结合的意识，能将物理问题自觉地灵活地转化为受物理规律制约及显示物理规律、物理情境的数学问题。三、用分式的性质等量代换的思想进行单位换算。初学物理的学生在单位换算方面成为学习物理知识的障碍。 解决途径： 首先让学生理解物理中的单位换算，实际上是数学中的等量代换思想的体现，其次让学生理解记忆基本换算关系。例如：速度的单位换算，引导学生运用数学方法：（1）分子分母分别换算法 例如：20m/s = 20 = 72km/h（2）利用速度进率法：1 m/s = 3.6 km/h20m/s = 20 3.6 km/h = 72km/h 通过分析比较，让学生理解单位换算的方法和技巧，今后能灵活自如的进行单位换算，不要让单位换算成为学生学习物理的障碍。四、区分物理平均与数学平均。 学生对物理中的平均概念的理解往往停留在数学的平均思想上，不注意条件，不注意适用范围，导致结果出错。 解决途径： 教师要引导学生理解物理中的平均与数学中的平均概念的区别，要特别注意公式的适用条件和适用范围。 例如：求平均速度问题，原则上应该是，S代表总路程，t代表通过路程S所用的总时间。（1）一个物体做直线运动，前一半路程的速度为 1，后一半路程的速度为 2，求全程的平均速度。隐含的条件是 S1 = S2 = S 但是有一些学生不理解物理上平均速度的含义，直接利用数学上的平均思想解题得出的错误结论 。（2）一个物体做直线运动，前一半时间速度为 1，后一半时间速度为 2，求全程的平均速度。隐含的条件是 t1=t2 = t 又如：伏安法测电阻，多次测量利用数学的加权法求平均电阻值有实际意义。而电功率的平均值没有实际意义。 可见应用数学知识分析物理问题时要特别注意物理学科的特殊性，注意概念的物理含义和规律成立的条件，因此我们在物理教学中要强化物理意义、物理内涵，公式形成过程的指导以及物理规律成立的条件，以使学生在扎实的物理基础上恰当、灵活地应用数学知识解决物理问题。五、利用函数图像理解物理意义。 物理规律、物理量之间的关系可以用图像表达出来。但是有的学生不能将函数图像与物理知识联系起来，造成解决物理题的困难。 解决途径：首先让学生明确，横纵坐标表示什么物理量，再分析这个图像表示的物理意义。 例如：一个正比例函数图像，斜率表示密度ρ=m/v，即m与v成正比，也就是说同种物质，质量增大多少倍，体积也增大多少倍，比值不便，这个比值就是密度。这样有利于学生理解密度是物质的一种特性。 总之，运用数学知识解决物理问题的有效途径，就是把数学知识、数学思维方法迁移到学习物理上来。因此教师在教学中应强化数理知识的结合，利用多渠道的有效途径，促进数学知识的迁移，学生才能更好的利用数学知识来解决物理问题。的几何中心有些求力臂的可能会用到勾股定理还有就是一般性的计算了
‘贰’ 物理学中常用的几种科学思维方法
1．模型法
物理模型是一种理想化的物理形态，将复杂的问题抽象化为理想化的物理模型是研究物理问题的基本方法。科学家通常利用抽象化、理想化、简化、类比等把研究对象的物理学本质特征突出出来，形成概念或实物体系，即为物理模型。模型思维法就是对研究对象或过程加以合理的简化，突出主要因素忽略次要因素，从而解决物理问题的方法。从本质上说，分析物理问题的过程，就是构建物理模型的过程。通过构建物理模型，得出一幅清晰的物理图景，是解决物理问题的关键。实际中必须通过分析、判断、比较，画出过程图（过程图是思维的切入点和生长点）才能建立正确合理的物理模型。
2．等效法
当研究的问题比较复杂，运算又很繁琐时，可以在保证研究对象的有关数据不变的前提下，用一个简单明了的问题来代替原来复杂隐晦的问题，这就是所谓的等效法。在中学物理中，诸如合力与分力、合运动与分运动、总电阻与各支路电阻以及平均值、有效值等概念都是根据等效的思想引入的。教学中若能将这种方法渗透到对物理过程的分析中去，不仅可以使问题的解决变得简单，而且对知识的灵活运用和知识向能力转化都会有很大的促进作用。
3．极端法
所谓极端法，就是依据题目所给的具体条件，假设某种极端的物理现象或过程存在并做科学分析，从而得出正确判断或导出一般结论的方法。这种方法对分析综合能力和数学应用能力要求较高，一旦应用得恰当，就能出奇制胜。常见有三种：极端值假设、临界值分析、特殊值分析。
4．逆思法
在解决问题的过程中为了解题简捷，或者从正面入手有一定难度，有意识地去改变思考问题的顺序，沿着正向（由前到后、由因到果）思维的相反（由后到前、由果到因）途径思考、解决问题，这种解题方法叫逆思法。是一种具有创造性的思维方法，通常有：运用可逆性原理、运用反证归谬、运用执果索因进行逆思。
5．估算法
所谓估算法就是对某些物理量的数量级进行大致推算或精确度要求不太高的近似计算方法。估算题与一般的计算题相比较，它虽然是不精确不严密的计算，但确是合理的近似，它可以避免繁琐的计算而着重于简捷的思维能力的培养。解估算题的基本思路是：（1）抓住主要因素，忽略次要因素，从而建立理想化模型。（2）认真审题，注意挖掘埋藏较深的隐含条件。（3）分析已知条件和所求量的相互关系以及物理过程所遵守的物理规律，从而找到估算依据。（4）明确解题思路，步步为营层层剥皮求出答案，答案一般保留一到两位有效数字。
6．虚设法
在物理解题中，我们常常用到一种虚拟的思维方法，即从给定的物理条件出发，假设与想象某种虚拟的东西，达到迅速、准确地解决问题的目的，我们把这种方法较虚设法。虚设法常见的几种情形是：虚设条件、虚设过程、虚设状态、虚设结论等。
7．图像法
所谓图像法，就是利用图像本身的数学特征所反映的物理意义解决物理问题（根据物理图像判断物理过程、状态、物理量之间的函数关系和求某些物理量）和由物理量之间的函数关系或物理规律画出物理图像，并灵活应用图像来解决物理问题。
‘叁’ 高中物理一些巧妙解题方法
物理实验的基本思想方法
1．等效法
等效法是科学研究中常用的一种思维方法．对一些复杂问题采用等效法，可将其变换成理想的、简单的、已知规律的过程来处理，常使问题的解决得以简化．因此，等效法也是物理实验中常用的方法．如在“验证力的平行四边形定则”的实验中，要求用一个弹簧秤单独拉橡皮条时，要与用两个互成角度的弹簧秤同时拉橡皮条时产生的效果相同——使结点到达同一位置O，即要在合力与两分力等效的条件下，才能找出它们之间合成与分解时所遵循的关系——平行四边形定则．又如在“验证动量守恒定律”的实验中，用小球的水平位移代替小球的水平速度；在“验证牛顿第二定律”的实验中，通过调节木板的倾斜度使重力的分力抵消摩擦力而等效于物体不受摩擦力作用．还有，电学实验中电流表的改装、用替换法测电阻等，都是等效法的应用．
2．转换法
将某些不易显示、不易直接测量的物理量转化为易于显示、易于测量的物理量的方法称为转换法(间接测量法)．转换法是物理实验常用的方法．如：弹簧测力计是把力的大小转换为弹簧的伸长量；打点计时器是把流逝的时间转换成振针的周期性振动；电流表是利用电流在磁场中受力，把电流转化为指针的偏转角；用单摆测定重力加速度g是通过公式T＝2πg(L)把g的测量转换为T和L的测量，等等．
3．留迹法
留迹法是利用某些特殊的手段，把一些瞬间即逝的现象(如位置、轨迹等)记录下来，以便于此后对其进行仔细研究的一种方法．留迹法也是物理实验中常用的方法．如：用打点计时器打在纸带上的点迹记录小车的位移与时间之间的关系；用描迹法描绘平抛运动的轨迹；在“测定玻璃的折射率”的实验中，用大头针的插孔显示入射光线和出射光线的方位；在描绘电场中等势线的实验中，用探针通过复写纸在白纸上留下的痕迹记录等势点的位置等等，都是留迹法在实验中的应用．
4．累积法
累积法是把某些难以直接准确测量的微小量累积后测量，以提高测量的准确度的一种实验方法．如：在缺乏高精密度的测量仪器的情况下测细金属丝的直径，常把细金属丝绕在圆柱体上测若干匝的总长度，然后除以匝数就可求出细金属丝的直径；测一张薄纸的厚度时，常先测出若干页纸的总厚度，再除以被测页数即所求每页纸的厚度；在“用单摆测定重力加速度”的实验中，单摆周期的测定就是通过测单摆完成多次全振动的总时间除以全振动的次数，以减小个人反应时间造成的误差影响等．
5．模拟法
模拟法是一种间接实验方法，它是通过与原型相似的模型来说明原型的规律性的．模拟法在中学物理实验中的典型应用是“用描迹法画出电场中平面上的等势线”这一实验，由于直接描绘静电场的等势线很困难，而恒定电流的电场与静电场相似，所以用恒定电流的电场来模拟静电场，通过它来了解静电场中等势线的分布情况．
6．控制变量法
在多因素的实验中，可以先控制一些量不变，依次研究某一个因素的影响．如在“验证牛顿第二定律”的实验中，可以先保持质量一定，研究加速度和力的关系；再保持力一定，研究加速度和质量的关系；最后综合得出加速度与质量、力的关系．
三、实验数据的处理方法
1．列表法
在记录和处理数据时，常常将数据列成表格．数据列表可以简单而又明确地表示出有关物理量之间的关系，有助于找出物理量之间联系的规律性．
列表的要求：
(1)写明表的标题或加上必要的说明；
(2)必须交代清楚表中各符号所表示的物理量的意义，并写明单位；
(3)表中数据应是正确反映测量结果的有效数字．
2．平均值法
现行教材中只介绍了算术平均值，即把测定的数据相加求和，然后除以测量的次数．必须注意的是，求平均值时应该按测量仪器的精确度决定应保留的有效数字的位数．
3．图象法
图象法是物理实验中广泛应用的处理实验数据的方法．图象法的最大优点是直观、简便．在探索物理量之间的关系时，由图象可以直观地看出物理量之间的函数关系或变化趋势，由此建立经验公式．
作图的规则：
(1)作图一定要用坐标纸，坐标纸的大小要根据有效数字的位数和结果的需要来定；
(2)要标明轴名、单位，在轴上每隔一定的间距按有效数字的位数标明数值；
(3)图上的连线不一定通过所有的数据点，而应尽量使数据点合理地分布在线的两侧；
(4)作图时常通过选取适当的坐标轴使图线线性化，即“变曲为直”．
虽然图象法有许多优点，但在图纸上连线时有较大的主观任意性，另外连线的粗细、图纸的大小、图纸本身的均匀程度等，都对结果的准确性有影响．
‘肆’ 数学在物理学中的应用
在物理学中，物理量之间的关系，物理变化
规律，除了用文字叙述，用方程，方程组，不等
式，比例式、三角函数、三角方程等，还可以用
相应的图象来描述。数学不仅可作为计算公式贯
穿其中，广泛用于推导公式，表达关系，描述规
律，而且它本身的逻辑作用和抽象作用来辅助物
理概念和规律的形成。掌握物理学中的数学方法，
是学好物理学的关键之一。本文仅就极值问题、
正负号问题，数学图象等在力学、热学、电学中
的应用作简单论述。
一、物理学中的正、负号
数学中的正与负反映了数的大小，但在物理
学中，正和负反映的物理意义大不相同。
1、矢量中的正和负反映了方向。在同一直线
上，一般先规定某方向为正方向，与其同向的矢
量为正值，反之为负值，这样把矢量运算化为标
量运算。例如，在直线运动中，若选初速度为V0
的方向为正方向，则加速度为负值时物体做减速
运动。又如在竖直上抛运动中，以抛点为原点，
上方位移为正，下方位移为负，向上的速度为正，
向下的速度为负，这样即可把往返运动当作一直
向上的运动处理。
例1、在离地10 米高度以5 米/秒竖直向上
抛出一物，不记阻力，问经几秒此物落地？
[析解]以抛点为原点， 向上为正，所以
V0=5m/s�0�5,s=-10m, 代入位移式S=V0·t+1/2at�0�5 有
-10=5t-5t�0�5求出t=2 秒。
2、正和负可以反映物体能量的增加减。大当
能量增加量为正值时，说明能量在增加；当能量
增加量为负值时，说明能量在减少。例如，由动
能定律可知：当合外力对物体做正功时，物体动
能增加；当合外力对物体做负功时，物体动能减
少。又如在热学中我们将吸热和对气体做功记为
正直，相反将放热和对外做功记为负值。
3、在势能大小的表示中，正和负表示势能与
标准点相比的大小。例如我们以桌面为势能的零
点，那么桌面以上的各点势能均为正，而桌面以
下的各处势能均为负值，在这种情况下正和负表
示大小。
4、在光学中，正和负表示虚和实。凸透镜的
焦距为正，透镜的焦距为负；实像的像距为正值，
虚像的像距则为负值。
二、用数学方法定义物理量
物理量分为基本量和导出量两种，从定义形
式来看，都可以用数学形式来表示。大量的可以
用以下几种数学方法定义。
1、量比定义法：就是用两个物理量的“比”
来定义一个新的物理量的方法。例如反映物质属
性或特性的密度（ρ=m/v）,电场强度（E=F/q），
反映物体属性或特征的导体的电阻（R=u/I），运
动速度（v=s/t）,功率（P=w/t）等。
2、乘积定义法：即用两个以上的物理量的乘
积来定义一个新的物理量的方法。例如，功（ w
= F·S cosθ ）,动量（p=mv）, 动能 （ Ek =mv�0�5/2）
等。
3、公式变形定义法：即用已有的公式变形来
定义一个新的物理量是方法。例如，根据电阻定
律（R=ρl/s）,胡克定律（f=κx）,摩擦定律（f=μN），
自感电动势（ε=LΔI/Δt）,得到电阻率ρ，倔强系
数K，摩擦系数μ，自感系数L。
4、和差定义法：即用物理量的和差来定义一
个新的物理量。例如，动能的增量（ΔEk= Ek2
–Ek1 ）,动量的增量（ΔP= P2-P1）等。
三、极值在物理学中的应用
在物理学中经常遇到极值和最值问题，有时
用到一元二次方程的关系，有时则是三角函数的
极值等。此类题解题特点：在物理机理的基础上，
其解题关键要依赖数学手段和方法，借助于数学
技巧和技能。
例2、甲乙两辆汽车同方向行使，当t=0 时，
两车恰好相齐，它们位移随时间t 的变化规律分
别为：S 甲=10t;S 乙=2t+t�0�5,试问在什么时刻，甲车
在前时，两车相距最远？
[析解]两车相距的距离为：
ΔS= S 甲- S 乙=10t -（2t+t�0�5）=-t�0�5+8t
据二次函数的性质有：当x=-b/2a 时，ΔS 有
最大值， ΔSmax=(4ac-b�0�5)/4a, 即当t=4s 时，
ΔSmax=16m
[注]物理量的变化规律在很多场合下可以用
二次函数y=ax�0�5+bx+c 来表示，根据二次函数的性
质：x=-b/2a 时，y 有极值，极值y=(4ac-b�0�5)/4a,当
a>0 时有极小值，当a<0 时有极大值。
例3、把q0 分配给两个相距为r 的质点，使
之成为两个带电体q1 和q2,则当电量如何分配
时，两个电体之间的库仑作用力最大？
[ 析解] 两个带电体之间的库仑力为
F=kq1q2/r�0�5根据题意q1+q2=q0 为一定值，因此当
q1=q2=q0/2 时，q1q2 有最大值，也就是F 有最大
值。所以电量平均分配给两个质点时，它们之间
的库仑作用力最大，最大值Fmax=Kq0�0�5/4r�0�5.
四、图象在物理学中的应用
利用图象可以直观地反映物理量之间相互依
赖的关系，形象地表述物理规律。应用图象解题，
常常使一些复杂的问题变得简单明了，对提高我
们分析问题、解决问题的能力大有益处。
综上所述，在物理学中应用数学的求解方法
是多种多样的，同一物理过程可以用两种或两种
以上的方法求解，关键在于把物理意义和数学方
法巧妙的揉合为一体，才能收到较好的效果。由
于事物的多样性、复杂性及物理与数学两门基础
学科之间的相互渗透与交叉。故在学习中应注意
利用有关的数学知识解决物理问题，以培养自己
正确分析物理过程和运用数学工具解决物理问题
的能力。
与教师之间交叉活动的自由空间，允许窃
窃私语，允许寻求教师、同学帮助。因为我们
常会发现这样一些情况：有的同学想象力很丰
富，但动手能力较差；有的同学制作精细，但
思路狭窄，如果让这两者有机结合，取长补短，
则是最佳的组合了。即使两者水平相当，在合
作中也能得到启发，所谓“三人行，必有我师”。
同时有些活动题材、内容，需要搜集大量的材
料，可组织以小组为单位完成。如“插花”、“版
面设计”、“画脸”等创作，可以以小组为单位合
作收集材料：你准备花泥我准备鲜花，我们一
起来完成一束艺术插花；尝试四个人合作设计
一块别致的版面；相互给对方装饰一个有趣的
脸面等。在愉快的合作氛围中，在友情浓郁的
氛围中，消除表现的顾虑，快乐主动参与学习
的过程，给学生带来愉悦的审美情趣，使每个
学生都体会到集体的智慧胜过于个人，从而培
养学生团结互助、合作的好品德。这样一来，
作业的时间相对缩短，作业的质量却提高了，
何乐而不为？
没有教师心灵的参与，课堂就会像没有雨
水的春日，燥寒而缺少滋润；没有教育实践的
参与，教育研究就会像行将干涸的一潭秋水，
沉闷而无活力。把美术教育的艺术与生命艺术
合二为一，将是我们21 世纪每个美术教师的毕
生追求。