高中物理教學論文 滲透物理思想 提高思維能力

1、滲透物理思想 提高思維能力在中學物理教學中滲透物理思想方法，是新課標的教學目標之一。物理思想方法是對物理知識的本質及其規(guī)律的理性認識，是發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的靈魂和根本策略。一個學生掌握了一定的物理思想方法，就提高了發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。這在物理競賽中顯得更為重要。物理競賽是提高學生學習物理的主動性和興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和實踐能力的一個重要方面。競賽試題既立足于基礎知識，又高于一般要求。它對學生的思維能力、實踐能力、創(chuàng)新能力均有很高的要求，學生不僅要有良好的物理素養(yǎng)，還應有具扎實的數(shù)學功底和良好的物理思想方法。筆者在物理競賽輔導中滲透物理思想，尋找物理思想方法與思維能

2、力的結合點，在提高學生的思維品質與思維能力方面收到較好的效果，本文就此與各位同行共饗之。1、滲透微元思想，提高學生善于分析推理的思維能力微元法又稱微量法，在物理系統(tǒng)中，一些物理量往往隨著另一些物理量的改變而連續(xù)地非線性變化。在這種情況下，我們經(jīng)常需要計算這些物理量的變化率或是變化累積效應。如物體內(nèi)部張力的計算，非對稱性物體的質心位置，非線性變力的功和沖量，非勻變速運動物體的位移和路程，非對稱性帶電體產(chǎn)生的場強分布，非線性電流的功和電量的計算等。在用微元法解決問題時，往往需要分析相關物理量間的關系，通過微元思想，可以較好地提高學生的分析能力。例  一只狐貍以不變的速度v1沿直線AB逃跑

3、，獵犬以不變的速率v2 追擊，其追擊方向始終對準狐貍。某時刻狐貍在AB上的F處，獵犬在D處，F(xiàn)DAB，F(xiàn)D=L，如圖1所示。設v2  v1，問獵犬追上狐貍還需多長時間？解析 設某時刻獵犬與狐貍分別運動到D、F點，此時2 與AB線夾角為i ，則獵犬相對狐貍的逼近速度為u=2 -1cosi，在t0極短時間內(nèi)，兩者的逼近距離為d=ut，同時，AB方向上，獵犬運動距離為x=2cosit；設所求時間為t，則t=t，L=d，狐貍運動距離x=1t。由上面幾個方程可以得到：L=（2 -1cosi ）t=2t-1cosi t，1t=2cosit，由此兩式可以求出：t=L2/（22-12）微元法中，微小

4、量的累積（積分）可以直接數(shù)學運算，但在物理競賽大綱中，沒有要求會用高等數(shù)學工具，因此在很多相關題目中，需要巧妙地使用微小量間的關系，這樣的題目如果用高等數(shù)學來解，并不占便宜，以上就是經(jīng)典一例。平時訓練這類問題，分析各物理量的關系以及物理規(guī)律的使用條件，可以培養(yǎng)學生善于分析推理的思維能力。2、滲透黑箱思想，提高學生逆向思維的能力黑箱問題，或稱黑匣子問題，是典型的一類逆向思維問題。黑箱的含義，是指所研究的物理系統(tǒng)透明度很低，內(nèi)部狀況被遮蔽，只能通過有限信息來揭示它的內(nèi)幕。例如：我們可以通過天體的運動，通過遙遠天體的輻射來了解宇宙的結構與演化；可以通過太陽光譜、太陽風暴、太陽黑子來了解太陽的溫度、壓

5、強、成分、磁場以及太陽中心區(qū)域的劇烈的核反應；可以通過高能物理實驗來了解物質的微觀結構、粒子反應規(guī)律等等。求黑箱問題，就是一個由表及里、由現(xiàn)象到本質的問題。在物理競賽中，通過黑箱問題的訓練，能較好地提高學生逆向思維能力。例 （實驗題）一個黑箱上面有四個接線柱，編號如圖2所示。箱內(nèi)裝有三個元件，按一定方式連接。每兩個接線柱間最多只連一個元件，可能沒有，也可能短路。盒內(nèi)的三個元件可能是電池、電阻、半導體二極管。有一塊萬用表可供測試，要求確定黑箱內(nèi)三個元件的名稱，畫出連接電路圖，注明各元件數(shù)值。解析 僅由題目給出的三條信息，顯然無法推測電路的構成。但題目給出了一塊萬用表，可用此表逐步測試，得到必要的

6、信息。首先確定有無電池及電池的位置：因為如果有電池存在而沒有找出其確切的位置，就不能用萬用表的歐姆檔測各接線柱之間的阻值，否則就可能燒毀萬用表。操作時，應當用萬用表的直流高壓檔去測試各接線柱間電壓，如測試中指針偏轉較小，再改用電壓較低檔去測試，如直到電壓最低檔表頭指針仍不偏轉，則說明箱內(nèi)無電池存在。在測試中有可能電壓表反接 而造成指針反指，但因一般所測電池電壓較小，電壓表指針反打不會對表頭造成什么損失。如以上步驟測得U13=U14=0、U24=U23= U21=1.5V，則由此可以判斷箱內(nèi)有干電池，且其一端一定與接線柱2相連，又由兩接線柱間只能有一個電池，且測得電壓均是1.5V，說明內(nèi)部本身無

7、回路。接著判斷有無二極管：因二極管的正、反向電阻完全不同，所以可用萬用表歐姆檔去檢測兩接線柱之間正、反兩向電阻情況，但在測試中表筆不可接觸接線柱2，這是因為這種接法可能造成歐姆表內(nèi)部電路與箱內(nèi)電池構成回路，從而燒毀歐姆表。同時為保護箱內(nèi)可能存在的二極管，不要使用歐姆表的最高與最低阻檔，因為使用高阻檔時，歐姆表內(nèi)接電源電壓較高，如恰使二極管反接，可造成二極管反向擊穿。使用低阻檔時，歐姆表內(nèi)部電阻很小，如恰使二極管正接，由于總電阻很小，電流過大，會造成二極管燒毀。如以上步驟測量結果為：R34=1100、R43=51000、R31= R13=1000、R14=50000、R41=100(注：此處Ri

8、j為紅表筆接第i接線柱時所測值)。由這些信息可以推測：1、3接線柱間為一個lk的定值電阻，且1、3間電路沒有與含二極管的支路并聯(lián)，原因是其正、反兩向電阻相同。1、4接線柱間有一個二極管，并且其正極接在1柱上，4、3接線柱間有一個1k定值電阻，且與1、4間二極管為串聯(lián)關系。因一共只有三個元件，所以推測電路如圖3的(a)、(b)、(c)所示。對上述電路進行預測，若是圖(a)，則用萬用表直流電壓檔測量2、4間電壓時，電壓表示數(shù)應為1.5V。而圖(b)、(c)當中，用直流電壓檔測量2、4間電壓時，因二極管均反向接入電路之中，其電阻很大，此時二極管與電壓表內(nèi)阻串聯(lián)分壓已不可忽略，所以由表頭讀出電壓值應明

9、顯小于1.5V。實際測量結果已于第一步顯示：U24=1.5V，所以圖(a)正確競賽中的黑箱問題較多，除了上述電路網(wǎng)絡黑箱之外，還有磁場黑箱、光具組黑箱等等，有的是直接給出輸入、輸出信息，有的是實驗黑箱，本例為后者，筆者嘗試發(fā)現(xiàn)，多設置這類問題，能大大提高學生的邏輯推理及逆向思維能力。3、滲透對稱思想，提高學生善于聯(lián)想比較的思維能力對稱性是美學準則之一，對稱性范疇包括均勻性、周期性乃至和諧性等特性。物理學理論的發(fā)展過程，就是人類對自然界對稱性的認識不斷深化的過程，例如：伽例略變換對稱性導致牛頓力學，洛倫茲變換對稱性導致狹義相對論，時空坐標一般變換對稱性導致廣義相對論等等。運用這種對稱思想可以簡化

10、物理情景或物理過程，進而理清解題思路。一般的對稱形式有軸對稱、面對稱和球對稱，涉及的內(nèi)容有運動的對稱、作用的對稱、分布的對稱等。在競賽輔導中，有許多顯性對稱性問題，可以直接利用對稱模型解決，也有許多隱性對稱性問題，這要求先挖掘出相關的可以比較的對稱模型，然后利用對稱模型來解決。通過這類問題的訓練，可以較好地提高學生的比較能力。例 如圖4所示，平面上有一段長為L的均勻帶電直線段AB。(1)試證：任一點P的場強方向沿APB的角平分線方向。(2)求平面上的等勢線方程(取AB方向為x方向，AB中點取為坐標原點，令P點位于xoy面上)。解析 本來，帶電線段AB在P點產(chǎn)生的電場看不出有明顯的對稱特征。但我

11、們可將此電場與一以P為圓心，與x軸相切，電荷密度相同，弧角為APB的一段帶電圓弧的電場相比較。不難驗證，兩者在P點所產(chǎn)生的電場大小方向皆相同。由于對稱性，后者的電場方向沿著APB的對角線方向，因而前者也是如此。以下(2)題只要將等勢線同已知的二次曲線性質相比較，再對號入座即可。(2)以A、B為焦點，并過P點作一橢圓(如圖5)。根據(jù)橢圓光學性質，若在P點沿橢圓切向置一平面鏡MN，則由A點發(fā)出的光線一經(jīng)MN反射后至B點。由此可知，APB角平分線方向(即P點場強方向)正是橢圓在P點的法向。這表明，帶電線段AB產(chǎn)生的電場的等勢線族，正是以A、B為焦點的橢圓族，得曲線方程：x2/a2-y2/b2=1，其

12、中a2-b2=L2/4，而a、b為可調(diào)參量。對稱問題，有的是本身直接給出的對稱性，例如電阻網(wǎng)絡、光路的可逆與對稱等等，有的是本身沒有對稱性，但如果聯(lián)想到可比較的對稱性模型，解決問題就很方便了，本題即為后者的經(jīng)典一例，通過這類問題的訓練，可以提高學生豐富的聯(lián)想比較的思維能力。4、滲透等效思想，提高學生善于變換類比的思維能力等效法即為等效替代，其所聯(lián)系的事物應當是同類的或相近的，它是指出兩種事物之間的等效性，或者為已知物理對象構造一個替代品，其目的是通過等效替代來化簡物理模型，或者尋求解決問題的新線索。從而使某些復雜的問題情景得以簡化。等效法最杰出的例子莫過于愛因斯坦的廣義相對論中的等效原理，該原

13、理指出，一個引力場可與一個直線加速參照系局域的等效，等效原理開辟了引力理論研究的新途徑，它與廣義相對性原理共同構成了廣義相對論的基石。等效法的重要特征就是變換，在競賽輔導中，許多復雜問題可以等效成兩個或幾個簡單模型的疊加，從而用簡單模型解決復雜問題。通過這方面的訓練，可以較好地提高學生變換類比的能力。例 在空間有相互垂直的場強為E的勻強電場和磁感強度為B的勻強磁場。如圖6所示，一電子從原點靜止釋放，求電子在y軸方向前進的最大距離。(電子質量為m) 解析 電子在疊加場中受力為恒定的電場力以及洛倫茲力，由于運動速率變化，方向也變化，因此洛倫茲力大小方向均變化，導致合力大小方向均變化，電子運動很復雜

14、。有必要考慮等效方法，利用幾個簡單模型的疊加來替代該復雜的電子的運動。雖然電子在O點速度為零，但也可以設想為具有沿x方向的速度+和一，其中滿足：  照此設想，電子在其后的運動過程中將受到三個力，一個是沿+y方向的電場力，一個是由于電子沿x軸向右運動而產(chǎn)生的一y方向的洛倫茲力，另一個是電子沿一x軸運動產(chǎn)生的+y方向的洛倫茲力，注意到電子沿一y方向所受的洛倫茲力和它所受的電場力相平衡。故電子的運動綜合起來可等效為：一個速度為+，沿+x方向的勻速直線運動（如圖7），一個速率為的勻速圓周運動（如圖8），電子的實際運動即為上述兩個簡單模型的合成，合成的軌跡如圖9所示，為標準的滾輪線！對勻速圓周

15、運動，有：其中 ，易得 即為所求。在物理競賽中，這類問題非常多，例如雙球面電容的求解利用n個鏡像電荷模型的疊加、無限網(wǎng)絡電阻求解利用電流從A點流入到達無窮遠和電流從無窮遠流入到B點流出時電流的分布再疊加等等。如果平時多注意“庖丁解?！笔降挠柧?，可以較好地提高學生善于變換和類比的思維能力。5、滲透獨立性原理和疊加原理思想，提高學生善于綜合的思維能力獨立性原理是指同時存在多個運動形式或力或場源時，某種運動或某個力或某個場源的傳播或作用效果或場的分布不受其他運動或力或場源的影響。疊加原理是基于獨立性原理基礎上的重要規(guī)律，它表示的是運動傳播或力的作用效果或場的分布的一個總的作用效果

16、。在中學物理教學中，波的獨立傳播原理和疊加原理是競賽中運用獨立性原理和疊加原理的基礎。例 真空中，有五個電量均為Q的均勻帶電薄球殼，它們的半徑分別為R、R/2、R/4、R/8、R/16，彼此內(nèi)切于P點，如圖10所示。球心分別為O1、O2、O3、O4、O5。求O5與O1間的電勢差。解析 在多個場源并存的情況下，空間某點的場強或電勢為各個場源在該點產(chǎn)生的電場的疊加?？紤]到電勢是標量，故電勢的疊加即為代數(shù)和。根據(jù)電勢疊加原理，O5處的電勢是五個球殼上電荷在O5處電勢的代數(shù)和，即物理競賽中獨立性原理和疊加原理應用的常見情景有：相對運動中的運動合成與分解，波的疊加（干涉現(xiàn)象），混合氣體中的道爾頓分壓定律

17、的運用，多場源下的場強分布和電勢分布，含源網(wǎng)絡等。通過訓練可以使學生提高獨立與整體的聯(lián)系，從而提高學生分析和綜合的思維能力。6、滲透特殊化哲學思想，提高學生善于運用極限的思維能力極限思維方法是一種反常的思維模式，它通過考察研究對象在極限條件下的表現(xiàn)，從中獲取信息，進而求得問題的解決。極限思維涉及到一般與特殊、共性與個性這類哲學命題。我們必須看到，共性蘊涵于個性之中，普遍性蘊涵于特殊性之中，它們之間的關系是辨證的。19世紀末期，經(jīng)典物理學達到了頂峰，它幾乎可以解釋所有當時人們已經(jīng)知道的“普遍”事物，但卻在個別“特殊”事件面前受到了挑戰(zhàn)，如邁克爾遜實驗與黑體輻射。正是這類特殊事件，動搖了經(jīng)典物理學的基礎，嶄新的近代物理理論應運而生，在新理論更為普遍的框架下，經(jīng)典物理理論只不過是某種極限條件下的特例而已。競賽輔導中，滲透這種哲學思想，訓練極限方法，可以提高學生善于運用極限的思維能力。例 試應用測不準關系估算線性諧振子的最小能量。解析 測不準關系是量子力學的一個基本原理，最普遍的是坐標與動量測不準關系，一般表示如下 ，其物理意義是：任何系統(tǒng)的坐標與動量都不能完全確定，它們的均方差乘積具有一個有限下限。上式可近似表示為線性諧振子平均能量可表示為：，另一方面，。，同理： 。由于諧振子的坐標、動量是正負對稱的，故有，于是，。由測不準關系，因而。由于兩項乘積（）為常數(shù)，故當兩者相等時，