韓梅

摘 要：以臨界問題分析法為例，探究實(shí)際問題解決中物理思想的引領(lǐng)，有效培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：高中物理;臨界問題

物理思想是建立和理解物理知識的前提和基礎(chǔ)，認(rèn)真學(xué)習(xí)物理思想并在實(shí)際物理題目中熟練運(yùn)用可收到事半功倍的效果。而臨界問題分析法是高中主要物理思想之一。因此，以臨界問題分析法為例，探究實(shí)際問題解決中物理思想的引領(lǐng)，有效培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)具有重要的意義。

一、解決高中物理臨界問題的策略

解決好高中物理臨界問題關(guān)鍵在于凸顯物理思想的前導(dǎo)性，弄清楚問題的物理過程和約束條件，即找出相關(guān)問題的臨界條件，形成清晰的物理情景，然后以物理定律、定理為依據(jù)，分析臨界特殊規(guī)律或特殊解，或者直接分析臨界狀態(tài)，通過臨界條件找出臨界值，把解題上升到研題、編題等更高層面上，從而形成將知識和方法在教學(xué)過程中相互滲透、融為一體的教學(xué)模式。

在具體教學(xué)過程中，一是將其物理問題轉(zhuǎn)化圖像、函數(shù)方程等，然后通過幾何圖形、二次函數(shù)、三角函數(shù)等常用數(shù)學(xué)工具推到出臨界狀態(tài)的相關(guān)物理量和極值。二是利用假設(shè)法，假設(shè)某些物理情景、過程以及物理量正好存在在某種狀態(tài)，然后以此狀態(tài)作為推理?xiàng)l件，有序處理臨界問題。三是將物理參量適時變化，利用最大或最小等極限思維方法，及時轉(zhuǎn)換臨界狀態(tài)。

二、高中物理常見臨界問題教學(xué)實(shí)踐

1、力學(xué)中的臨界問題

由于力學(xué)中的臨界問題主要由所受外力情況決定，因此，研究該類問題臨界情況時，教師應(yīng)以物理思想為引領(lǐng)，主要通過列出受力平衡方程研究將被破壞或者即將不被破壞的微妙狀態(tài)，然后借助常規(guī)數(shù)學(xué)處理技巧完成相關(guān)問題的求解。

例1：質(zhì)量為m的物體停留在粗糙地面上，若受到如圖所示F的作用，則該物體沿水平地面保持勻速前進(jìn)，已知，該物體與地面間的動摩擦因數(shù)為μ，則試求該力與水平方向的夾角θ應(yīng)滿足什么條件時，該力最省力。

分析：借助“保持勻速前進(jìn)”這個力學(xué)平衡條件，即物體可能沿地面做勻加速運(yùn)動，亦可能沿地面做勻減速運(yùn)動，沿著拉力方向進(jìn)行F正交分解，然后根據(jù)臨界狀態(tài)，列出力學(xué)平衡方程即可。

解析：如圖2所示

，當(dāng)且僅當(dāng)時，則F最小。

即，時，F(xiàn)有最小值。

2、復(fù)合場中的臨界問題

復(fù)合場中的臨界問題解題方式靈活性較大，教師應(yīng)以物理思想為引領(lǐng)，組織學(xué)生首先理清復(fù)合場中相關(guān)粒子的受力情況，然后以帶電粒子的運(yùn)動軌跡逐層展開分析，并應(yīng)用極限法列出運(yùn)動軌跡以及限制條件所確定臨界位置時的狀態(tài)進(jìn)行求解。

例2：如圖3所示，一個質(zhì)量為m、電量為q的粒子以與垂直方向夾角成30°、初速度v0、d邊中點(diǎn)O處進(jìn)入到強(qiáng)度為B、長度為1的真空矩形區(qū)域內(nèi)。如果想要該粒子從ab邊射出，則初速度v0應(yīng)滿足什么條件。

分析：該題是典型的電場與磁場相互作用問題，為確保帶電粒子不從ab、cd射出，則應(yīng)畫出帶電粒子的大致路徑，通過幾何關(guān)系確定出圓的半徑，從而確定出初速度的大小。

解析：如圖4所示，當(dāng)速度較大且為v1時，則帶電粒子的路勁大致為以O(shè)1為圓心、半徑為R1的OMP，由洛侖磁力提供向心力，即，可得。

當(dāng)速度較小且為v2時，則帶電粒子的路勁大致為以O(shè)2為圓心、半徑為R2的OQI，根據(jù)幾何關(guān)系，可得，又由，可得。

根據(jù)以上分析，粒子從ab邊射出磁場v0的大小范圍為

3、光學(xué)中的臨界問題

教師應(yīng)以物理思想為引領(lǐng)，首先根據(jù)題意做出光線圖，然后做出相關(guān)臨界光線光路，再根據(jù)全反射規(guī)律、折射定律等聯(lián)立方程進(jìn)行求解。

例3：如圖5所示，高度為H、直徑為2H的容器底部放置了一塊平面鏡，現(xiàn)有距容器圓心正上方h處一點(diǎn)光源S，已知該溶液的折射率n=2，試求若要使點(diǎn)光源發(fā)出的光能夠在液體上面觀察照亮整個液體的表面，則h應(yīng)滿足什么條件。

分析：本題解題的關(guān)鍵是理解使點(diǎn)光源發(fā)出的光能夠在液體上面觀察照亮整個液體的表面這個條件，然后做出邊界光線，確定入射角的范圍，其主要考察了光的反射、折射和全反射等基本知識。

解析：如圖6所示，點(diǎn)光源S通過平面鏡所成的像為S'，題目要求反射光線能夠全部照射到液面，則要求入射角為全反射臨界角）。

根據(jù)以上分析，h的范圍應(yīng)為。

總之，物理思想是物理學(xué)的靈魂，只要在具體高中物理教學(xué)實(shí)踐中，拋棄以一個問題的解決作為終點(diǎn)的錯誤思想，緊抓思想引領(lǐng)，反復(fù)研究、認(rèn)識和再總結(jié)，形成解題簡捷、明快、精巧、新穎等特點(diǎn)，只有這樣，才能使類似問題的解題突破常規(guī)，才能不斷提高學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊樺，潘天俊，孟衛(wèi)東.臨界問題面面觀——談物理學(xué)科臨界問題的分析方法[J].高中數(shù)理化，2010.1

[2]趙辰延.淺談高中物理力學(xué)中幾種常見的臨界問題[J].中華少年，2018.6