張江寧

(江蘇省錫山高級(jí)中學(xué),江蘇 無(wú)錫 214174)

什么是物理方法？物理方法就是物理學(xué)家認(rèn)知的方法，簡(jiǎn)單說(shuō)就是物理學(xué)家怎么“做事”.[1]20世紀(jì)20年代，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)物質(zhì)在β衰變過(guò)程有一部分能量失蹤了，當(dāng)時(shí)有人提出，β衰變過(guò)程中能量守恒定律失效.然而，泡利堅(jiān)持能量是守恒的，提出是一種新的粒子——中微子帶走了這部分能量.可見(jiàn)，堅(jiān)持正確的物理觀念、運(yùn)用科學(xué)的物理方法對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)具有極其重要的意義.但是，在實(shí)際物理教學(xué)中，忽視物理方法的現(xiàn)象還是普遍存在的，例如，把做實(shí)驗(yàn)變?yōu)橹v實(shí)驗(yàn)，不僅學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰](méi)有得到發(fā)展，連通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究物理規(guī)律的意識(shí)都會(huì)被扼殺.再如，把數(shù)學(xué)的邏輯思維等同于物理的科學(xué)思維，導(dǎo)致的結(jié)果是學(xué)生更傾向于用數(shù)學(xué)的方法來(lái)解決物理問(wèn)題，首先想到的往往是列方程求解，對(duì)解的物理意義反而不夠關(guān)注.

下面以一道在多地高考模擬考試中出現(xiàn)過(guò)、且受到熱議的物理選擇題為例來(lái)說(shuō)明我們應(yīng)該如何抓住物理方法教育的機(jī)會(huì).

圖1

例1.如圖1所示，兩半徑為R的圓環(huán)A、B上均勻分布相同的正電荷Q，x軸垂直于環(huán)面且過(guò)兩圓環(huán)圓心O1和O2，P為O1和O2的中點(diǎn)，下列說(shuō)法正確的是

(A)P點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為0.

(B)O1點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為0.

(C)O1的電勢(shì)一定等于O2點(diǎn)的電勢(shì).

(D) 從O1點(diǎn)沿x軸到O2點(diǎn)，電勢(shì)一定先降低后升高.[2]

筆者參考了多地不同年份的模擬試卷，給出的參考答案均為(A)、(C)、(D).在同行們熱議的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)正確選項(xiàng)應(yīng)該是(A)、(C)，(D)選項(xiàng)是錯(cuò)誤的，并且針對(duì)(D)選項(xiàng)，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法得出從O1點(diǎn)沿x軸到O2點(diǎn)電勢(shì)變化的規(guī)律.那么，命題者為什么會(huì)給出這一錯(cuò)誤答案？為什么大多數(shù)教師都沒(méi)有懷疑答案的正確性？為什么習(xí)慣于運(yùn)用復(fù)雜的數(shù)學(xué)方法而不是簡(jiǎn)單的物理方法？根本原因還是物理方法教育在物理教學(xué)并沒(méi)有得到應(yīng)有的重視.

1 引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)類比法進(jìn)行細(xì)節(jié)的比較

運(yùn)用類比法，我們應(yīng)該同時(shí)注意兩方面的問(wèn)題，一方面要引導(dǎo)學(xué)生將相似的物理問(wèn)題進(jìn)行歸類，應(yīng)用相同的物理模型來(lái)解決不同的問(wèn)題，起到舉一反三、融會(huì)貫通的效果，從而避免題海戰(zhàn)的發(fā)生；另一方面也要引導(dǎo)學(xué)生從相近的問(wèn)題中比較出不同的細(xì)節(jié)，以免錯(cuò)用物理模型，從而避免機(jī)械地套用模型.該題給出錯(cuò)誤答案的原因就是輕易選擇了不正確的物理模型.

筆者在與教師的交流中發(fā)現(xiàn)之所以認(rèn)為(D)選項(xiàng)正確，原來(lái)是物理模型選用錯(cuò)誤，而選錯(cuò)模型的主要原因是僅僅進(jìn)行了淺層的類比，沒(méi)有進(jìn)行細(xì)節(jié)的比較，直接應(yīng)用等量同種電荷的連線上電勢(shì)的分布規(guī)律給出了答案.這種草率的方法，不僅是一道題目答案的正確與否的問(wèn)題，而是我們又錯(cuò)過(guò)了一次引導(dǎo)學(xué)生正確應(yīng)用物理方法分析問(wèn)題的機(jī)會(huì).

圖2

在進(jìn)行該題的講評(píng)時(shí)，只要我們對(duì)學(xué)生進(jìn)行追問(wèn)：該題中O1、O2之間電勢(shì)的分布真的與等量同種電荷的連線上電勢(shì)的分布規(guī)律相同嗎？在教師的啟發(fā)下，大多數(shù)學(xué)生都會(huì)發(fā)現(xiàn)是不一樣的，并且能夠畫出圖2所示的等量同種(正)電荷的連線上電勢(shì)分布的圖像.其特點(diǎn)是，從理論上說(shuō)，只要無(wú)限接近兩個(gè)點(diǎn)電荷，電勢(shì)就逐漸趨向無(wú)窮大.而該題的x軸與兩圓環(huán)上每一點(diǎn)的距離至少為R，x軸上各點(diǎn)的電勢(shì)是兩個(gè)圓環(huán)的電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)的電勢(shì)的代數(shù)和，這也是數(shù)學(xué)建模的依據(jù).那么，從O1沿x軸到O2的電勢(shì)到底如何變化呢？能不能通過(guò)簡(jiǎn)潔的物理方法作出判斷呢？

2 引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)等效替代法選用正確的物理模型

我們不妨設(shè)計(jì)這樣一個(gè)問(wèn)題：一半徑為R的圓環(huán)上均勻分布正電荷Q，其圓心處的電勢(shì)為φ1.在距離一個(gè)電荷量也為Q的孤立的正點(diǎn)電荷R處的電勢(shì)為φ2.則φ1、φ2哪個(gè)大？

在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生對(duì)兩個(gè)電場(chǎng)進(jìn)行比較分析，應(yīng)該能夠認(rèn)識(shí)到點(diǎn)電荷的電場(chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì)是由點(diǎn)電荷的電荷量和該點(diǎn)到點(diǎn)電荷的距離決定的，圓環(huán)可以分解為無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)電荷，而圓心到圓環(huán)上每一點(diǎn)的距離均為R，電勢(shì)是標(biāo)量，所以不難得出φ1=φ2.在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步分析，會(huì)認(rèn)識(shí)到垂直于環(huán)面且過(guò)圓環(huán)圓心的軸線上的電勢(shì)分布與距離點(diǎn)電荷距離為R的直線上的電勢(shì)分布規(guī)律是相同的.這時(shí)，再把學(xué)生的思維引向原題中的雙帶電圓環(huán)，學(xué)生一定會(huì)豁然開朗，發(fā)現(xiàn)與兩個(gè)等量的同種點(diǎn)電荷的連線平行的直線上電勢(shì)的分布與原題中x軸線上的電勢(shì)的分布規(guī)律是一樣的.這樣通過(guò)等效替代法將問(wèn)題轉(zhuǎn)化如下.

圖3

例2.如圖3所示，O1、O2處各放一個(gè)電荷量均為+Q的點(diǎn)電荷，x軸平行于直線O1O2，且與直線O1O2的距離為R，A、B為x軸上的兩點(diǎn)，且O1A、O2B均與x軸垂直，則在x軸上從A點(diǎn)到B點(diǎn)的電勢(shì)如何變化？

圖4

問(wèn)題轉(zhuǎn)化后，分析兩個(gè)點(diǎn)電荷電場(chǎng)的電勢(shì)變化要簡(jiǎn)單得多.要判斷沿x方向電勢(shì)如何變化，就要看電場(chǎng)強(qiáng)度在x方向的分量Ex的方向，電勢(shì)沿著Ex方向降低.學(xué)生不難畫出兩個(gè)點(diǎn)電荷分別在A點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度E1和E2(如圖4)，只有E2在x方向有分量，且沿-x方向，由此可以判斷從A點(diǎn)起沿x方向的電勢(shì)至少在開始的一小段距離是升高的.至此，可以判斷原題中的(D)選項(xiàng)是錯(cuò)誤的，如果僅從解題的角度，該題在應(yīng)用類比法、等效替代法、物理模型法與矢量疊加法后已經(jīng)得到解決.但是，如果將原題的(D)選項(xiàng)改為“從O1點(diǎn)沿x軸到O2點(diǎn)，電勢(shì)一定先升高后降低”是不是就正確呢？

3 引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)極端條件法判斷物理問(wèn)題的多種可能性

超導(dǎo)是在極低溫度下發(fā)現(xiàn)的，核聚變?cè)跇O高溫下才能發(fā)生，很多神奇的物理現(xiàn)象都是在極端條件下發(fā)現(xiàn)的．極端條件往往也是認(rèn)知的邊界，突破這個(gè)邊界就可能有驚喜的發(fā)現(xiàn).我們?cè)诮虒W(xué)中也要善于引導(dǎo)學(xué)生去探索物理問(wèn)題的邊界條件.那么可能影響從A點(diǎn)到B點(diǎn)的電勢(shì)變化規(guī)律的邊界在哪里？當(dāng)一籌莫展時(shí)，那就將邊界推向兩個(gè)極端，圖3所示的x軸的一個(gè)邊界是與兩個(gè)點(diǎn)電荷無(wú)限接近，一個(gè)邊界是與兩個(gè)點(diǎn)電荷的距離非常遠(yuǎn).

當(dāng)x軸與兩個(gè)點(diǎn)電荷無(wú)限接近時(shí)，x軸上AB這一段就無(wú)限接近兩個(gè)點(diǎn)電荷的連線，而兩個(gè)電荷的連線的中點(diǎn)電勢(shì)是最低的(圖2中的最低點(diǎn)).前面已經(jīng)從圖4判斷出從A點(diǎn)起沿x方向開始的一段電勢(shì)肯定是升高的，所以，當(dāng)x軸與兩個(gè)點(diǎn)電荷比較近的條件下，A點(diǎn)到B點(diǎn)的電勢(shì)應(yīng)該先升高再降低再升高再降低.

當(dāng)x軸與兩個(gè)點(diǎn)電荷的距離很遠(yuǎn)時(shí)，即x軸與兩個(gè)點(diǎn)電荷的距離遠(yuǎn)大于兩點(diǎn)電荷間的距離，在如此遠(yuǎn)的距離上，兩個(gè)點(diǎn)電荷已經(jīng)近到幾乎可以看成一個(gè)點(diǎn)電荷，因此，經(jīng)過(guò)此處的等勢(shì)面已經(jīng)非常接近球面了.在我們所研究的平面內(nèi)的等勢(shì)線就接近圓，AB就相當(dāng)于這個(gè)圓的一條割線，從A點(diǎn)到B點(diǎn)的電勢(shì)必然是先升高后降低.

通過(guò)以上物理方法的運(yùn)用，最終得出從O1點(diǎn)沿x軸到O2點(diǎn)的電勢(shì)變化情況為：在兩圓環(huán)間距離一定的情況下，當(dāng)圓環(huán)的半徑比較小時(shí)，從O1點(diǎn)沿x軸到O2點(diǎn)的電勢(shì)先升高再降低再升高再降低；當(dāng)圓環(huán)的半徑比較大時(shí)，從O1點(diǎn)沿x軸到O2點(diǎn)的電勢(shì)先升高后降低.

物理教學(xué)中重視物理方法的滲透能夠促進(jìn)學(xué)生從物理學(xué)的視角認(rèn)識(shí)、分析與解決問(wèn)題，從而加深對(duì)物理概念與物理規(guī)律的理解，形成正確的物理觀念，并在物理方法的運(yùn)用過(guò)程中使物理思維能力得到鍛煉.作為物理教師，應(yīng)該善于從普通物理問(wèn)題中挖掘所蘊(yùn)含的物理方法，尋找物理方法教育的機(jī)會(huì)，才能使物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落到實(shí)處.