王玉梅

(常德師范學(xué)校,湖南常德 415000)

中學(xué)物理的常用思維方法＊

王玉梅

(常德師范學(xué)校,湖南常德 415000)

提出中學(xué)物理中的幾種常用解題思維方法:模型思維法、圖像思維法、等效思維法、臨界思維法、極限思維法、守恒思維法、逆向思維法及整體與隔離思維法。實(shí)踐證明,老師和學(xué)生掌握這些方法能很好地提高教與學(xué)的效果。

物理;解題;思維方法

物理學(xué)科的概念、公式、規(guī)律繁多,習(xí)題的解答可以用不同的方法求解。面對眾多的物理習(xí)題,應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)思維方法的訓(xùn)練,才能從根本上提高解題能力,收到事半功倍的效果,下面略談幾種中學(xué)物理的常用思維方法。

一、模型思維法

研究物理問題時,通常都要從“模型”入手,對于看似不同的現(xiàn)象,利用理想化、簡化、類比、等效、抽象等思維方法,把它們共同的本質(zhì)特征找出來,構(gòu)成一個概念或?qū)嵨锏捏w系,即形成“物理模型”。下面把高中物理的模型作一個小結(jié)。

模型類舉物理對象模型質(zhì)點(diǎn)、剛體、杠桿、輕質(zhì)彈簧、單擺、彈簧振子、彈性體、絕熱物質(zhì)、理想氣體、點(diǎn)電荷等條件模型1、檢驗電荷置于電場中,不改變原電場分布;2、慣性定律實(shí)驗等過程模型勻速運(yùn)動、勻加速直線運(yùn)動、勻速圓周運(yùn)動、彈性碰撞等。結(jié)構(gòu)模擬模型原子核式結(jié)構(gòu)、氫原子能級、電場線、磁感線等。

面對物理問題,如何提取關(guān)鍵且有效的信息,通過什么途徑順利解決問題,存在一個思維模式——解題建模,通過建立物理模型,對題目中的信息進(jìn)行分類、比較、遷移、轉(zhuǎn)換、分析、綜合、創(chuàng)新等方式進(jìn)行思維加工處理,將實(shí)際的復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為物理理想模型問題,解此類題目的基本程序為:審題→提煉→類比→建模→求解→回味。

建立模型的關(guān)鍵:①對常規(guī)模型的熟悉程度;②通過抽象、分解、類比、等效等變換手段,把貌似復(fù)雜、無法解決的問題,轉(zhuǎn)變?yōu)榕c常規(guī)模型相關(guān)的物理模型。

由此可見,解答物理問題的關(guān)鍵在于學(xué)生能否在仔細(xì)審題的基礎(chǔ)上,構(gòu)建物理模型,所以要重視理想化方法的應(yīng)用,要養(yǎng)成畫示意圖的習(xí)慣,分析問題時首先應(yīng)細(xì)致分析實(shí)際過程,有了大致認(rèn)識后,再進(jìn)行簡化,這樣就能轉(zhuǎn)化成典型的物理問題,通常所說的明確物理過程,把過程轉(zhuǎn)化為一幅清晰的物理圖景,就是為了構(gòu)建物理模型,針對模型的特征,利用相應(yīng)的規(guī)律去解決。

二、圖像思維法

圖像思維法的實(shí)質(zhì)就是利用圖像本身的數(shù)學(xué)特征所反映的物理意義解決物理問題(根據(jù)物理圖像判斷物理過程、狀態(tài)、物理量之間的函數(shù)關(guān)系和求某些物理量),由物理量之間的函數(shù)關(guān)系或物理規(guī)律畫出物理圖像,并靈活應(yīng)用圖像來解決物理問題。

中學(xué)物理中常見的圖像有:矢量圖(幾何圖)、正比例圖像、反比例圖像、一次函數(shù)圖像、二次函數(shù)圖像、正弦(或余弦)函數(shù)圖像等。

利用圖像法解題的優(yōu)點(diǎn)在于可以直接觀察出物理過程的動態(tài)特征,使思路更加清晰,常能找到巧妙的解題途徑。

三、等效思維法

等效思維法是在保證某種效果(特性和關(guān)系)相同的前提下,將實(shí)際的、復(fù)雜的物理問題或物理過程轉(zhuǎn)化為等效的、簡單的、易于研究和處理的物理問題或物理過程的方法。等效思維的實(shí)質(zhì)是在效果相同的情況下,將較為復(fù)雜的實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為簡單的熟悉問題,以便突出主要因素,抓住它的本質(zhì),找出其中的規(guī)律。

等效思維法在物理解題中應(yīng)用主要有:物理模型的等效替代;物理過程的等效替代;作用效果的等效替代。例如合力與分力,運(yùn)動的合成與分解,電阻串聯(lián)與并聯(lián),交流電的有效值。再如在重力場和勻強(qiáng)電場中,對于擺動問題,豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動問題,如果能用復(fù)合場的場力“F”、加速度“g”來考慮動能、重力勢能、電勢能的最值問題,就非常簡便。又如復(fù)雜電路的簡化,或分析某可變電阻的功率問題時,找出相應(yīng)的等效電源,求其等效電動勢和等效內(nèi)阻,問題就會迎刃而解,這些都是等效思維法在物理學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用。

運(yùn)用等效法處理問題的一般步驟為:①分析原事物(需研究求解的物理問題)的本質(zhì)特性和非本質(zhì)特性;②尋找適當(dāng)?shù)奶娲?熟悉的事物),以保留原事物的本質(zhì)特性,拋棄非本質(zhì)特性;③研究替代物的特性及規(guī)律;④將替代物的規(guī)律遷移到原事物中去;⑤利用替代物遵循的規(guī)律、方法求解,得出結(jié)論。

四、臨界思維法

臨界狀態(tài)是物理問題中常遇到的一種情況,臨界問題往往與物理極值問題聯(lián)系在一起,這類問題一般可分為兩類:臨界條件較明顯的;臨界條件較隱蔽的。以臨界狀態(tài)的物理規(guī)律為突破口來解決問題的方法稱為臨界思維法。

臨界問題往往和極值問題相互關(guān)聯(lián),研究臨界問題和極值問題的基本觀點(diǎn):①物理分析,通過對物理過程分析,抓住臨界條件(或極值條件)進(jìn)行求解。②數(shù)學(xué)討論,通過對物理問題的分析,依據(jù)物理規(guī)律寫出物理量之間的函數(shù)關(guān)系,用數(shù)學(xué)方法求解極值。

五、極限思維法

極限思維法是把某個物理量推向極端,即極大和極小或極限位置,并以此作出科學(xué)的推理分析,從而給出判斷或?qū)С鲆话憬Y(jié)論。當(dāng)題目要求定性地判斷某一具體的物理量的變化情況或變化趨勢時,可假設(shè)其他變量為極端情況,從而就能較快地弄清該物理量的變化趨勢,達(dá)到研究的目的。選擇題不同于其他題型,有時對結(jié)果的得出,不需要很嚴(yán)密的計算,只要能夠大致地了解并弄清其結(jié)果的范圍或變化趨勢就行了。因此,在做選擇題時,采用極限思維法極為簡便且可以大大縮短做題時間。

如將電阻或物體的質(zhì)量假設(shè)為零或無窮大,假設(shè)傾角為0°或90°等情況。諸如此類的題目還有很多,比如騎車往返甲乙兩地,有風(fēng)與無風(fēng)比較,往返時間是否相同的問題;用電爐燒水,要使水盡快燒開是加長電阻絲還是縮短電阻絲的問題等,只要抓住其極限條件,就能容易而迅速地運(yùn)用極限思維來處理。

六、守恒思維法

守恒是自然界中普遍適用的基本規(guī)律,是高中物理的重點(diǎn),也是高考考查的重點(diǎn),守恒的思想在高中物理學(xué)中主要體現(xiàn)在動量守恒定律、機(jī)械能守恒定律、能量守恒定律、電荷守恒定律、核反應(yīng)中的電荷和質(zhì)量數(shù)守恒等。高考物理綜合性試題往往是動量與能量的綜合,涉及動量、能量的守恒,此類試題的情境常常是物理過程較復(fù)雜的或者是作用時間很短的,如變加速運(yùn)動、碰撞、爆炸、打擊、彈性形變等。

例如:兩個或兩個以上的物體與彈簧組成的系統(tǒng)相互作用的物理過程具有以下特點(diǎn):能量變化上,如果只有重力和系統(tǒng)內(nèi)彈簧彈力做功,系統(tǒng)的機(jī)械能守恒;如果系統(tǒng)所受合外力為零,則系統(tǒng)動量守恒;若系統(tǒng)內(nèi)兩物體除彈簧彈力外所受合外力為零,則當(dāng)彈簧伸長量或壓縮量最大時兩物體速度相同(如光滑水平面上的彈簧連接體問題),當(dāng)彈簧為原長時系統(tǒng)內(nèi)某一物體具有最大速度(如彈簧鎖定的系統(tǒng)由靜止釋放)。

七、逆向思維法

在解決問題的過程中從正面入手有一定難度,有意識地去改變思考問題的順序,沿著正向(由前到后、由因到果)思維的相反(由后到前、由果到因)途徑思考、解決問題,這種解題方法叫逆向思維法,是一種具有創(chuàng)造性的思維方法,通常運(yùn)用可逆性原理、反證歸謬、執(zhí)果索因等進(jìn)行逆向思維。

物理學(xué)中,像具有可逆性、對稱性的物理過程有很多。若能充分運(yùn)用運(yùn)動形式的可逆性、時間的可逆性、電路的可逆性、光路的可逆性等,將初態(tài)與終態(tài)顛倒、物與像互易,往往會使我們從困境中走出,到達(dá)柳暗花明的坦途。例如力學(xué)中的子彈進(jìn)入木塊時所做勻減速運(yùn)動,運(yùn)用時間反演,可將其視為勻加速運(yùn)動處理。

八、整體與隔離思維法

在解答物理問題時,往往會遇到有相互作用的兩個物體或兩個以上的物體所組成的比較復(fù)雜的系統(tǒng)。分析和解答這類問題,確定研究對象是關(guān)鍵。對系統(tǒng)內(nèi)物體隔離進(jìn)行分析的方法稱為隔離法;把整個系統(tǒng)作為一個對象進(jìn)行分析的方法稱為整體法。

隔離法的優(yōu)點(diǎn)在于能把系統(tǒng)內(nèi)各個物體所處的狀態(tài)、物體狀態(tài)變化的原因以及物體間的相互作用關(guān)系分析清楚,能把物體在系統(tǒng)內(nèi)與其他物體相互作用的內(nèi)力轉(zhuǎn)化為物體所受的外力,以便應(yīng)用牛頓第二定律進(jìn)行求解。缺點(diǎn)是涉及的因素多比較繁雜。

整體法的優(yōu)點(diǎn)是只需分析整個系統(tǒng)內(nèi)與外界的關(guān)系,避開了系統(tǒng)內(nèi)部繁雜的相互作用,更簡捷、更本質(zhì)地展現(xiàn)出物理量間的關(guān)系。缺點(diǎn)是無法討論系統(tǒng)內(nèi)部的情況。

一般來說,對于不要求討論系統(tǒng)內(nèi)部情況的題目,首選整體法,解題過程簡明、快捷;要討論系統(tǒng)內(nèi)部情況的,必須運(yùn)用隔離法。實(shí)際應(yīng)用中,隔離法和整體法往往交叉使用。

若一個系統(tǒng)內(nèi)各個物體的加速度不相同,又不需要求系統(tǒng)內(nèi)物體間的相互作用力時,應(yīng)用整體法利用牛頓第二定律解題會方便很多。

隔離法與整體法,不是相互對立的,一般問題的求解中,隨著研究對象的轉(zhuǎn)化,往往采取兩種方法交叉運(yùn)用,相輔相成。所以,兩種方法的取舍,并無絕對的界限,必須具體分析,靈活運(yùn)用,無論哪種方法均以盡可能避免或減少中間未知量的出現(xiàn)(如非待求的力,非待求的中間狀態(tài)或過程等)為原則。

總之,思維能力決定著解題能力。因此,在平時學(xué)習(xí)中要善于掌握一些解題的思維方法。

[1]陳衛(wèi)良.教材完全解讀[M].北京:中國青年出版社,2009.

[2]龔霞玲.黃崗兵法[M].西安:陜西師范大學(xué)出版社,2005.

[3]杜志建.解題能力大突破[M].烏魯木齊:新疆青少年出版社,2009.

[4]金鑫.高效讀教材[M].北京:人民日報社出版社,2008.

2010-07-06

王玉梅(1965-),女,湖南澧縣人,高級講師。