張江寧

(江蘇省錫山高級中學,江蘇 無錫 214174)

什么是物理方法？物理方法就是物理學家認知的方法，簡單說就是物理學家怎么“做事”.[1]20世紀20年代，通過數(shù)學計算，發(fā)現(xiàn)物質(zhì)在β衰變過程有一部分能量失蹤了，當時有人提出，β衰變過程中能量守恒定律失效.然而，泡利堅持能量是守恒的，提出是一種新的粒子——中微子帶走了這部分能量.可見，堅持正確的物理觀念、運用科學的物理方法對科學發(fā)現(xiàn)具有極其重要的意義.但是，在實際物理教學中，忽視物理方法的現(xiàn)象還是普遍存在的，例如，把做實驗變?yōu)橹v實驗，不僅學生的實驗能力沒有得到發(fā)展，連通過實驗探究物理規(guī)律的意識都會被扼殺.再如，把數(shù)學的邏輯思維等同于物理的科學思維，導致的結(jié)果是學生更傾向于用數(shù)學的方法來解決物理問題，首先想到的往往是列方程求解，對解的物理意義反而不夠關注.

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

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)面且過兩圓環(huán)圓心O1和O2，P為O1和O2的中點，下列說法正確的是

(A)P點的電場強度為0.

(B)O1點的電場強度為0.

(C)O1的電勢一定等于O2點的電勢.

(D) 從O1點沿x軸到O2點，電勢一定先降低后升高.[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).在同行們熱議的過程中，發(fā)現(xiàn)正確選項應該是(A)、(C)，(D)選項是錯誤的，并且針對(D)選項，運用數(shù)學方法得出從O1點沿x軸到O2點電勢變化的規(guī)律.那么，命題者為什么會給出這一錯誤答案？為什么大多數(shù)教師都沒有懷疑答案的正確性？為什么習慣于運用復雜的數(shù)學方法而不是簡單的物理方法？根本原因還是物理方法教育在物理教學并沒有得到應有的重視.

1 引導學生通過類比法進行細節(jié)的比較

運用類比法，我們應該同時注意兩方面的問題，一方面要引導學生將相似的物理問題進行歸類，應用相同的物理模型來解決不同的問題，起到舉一反三、融會貫通的效果，從而避免題海戰(zhàn)的發(fā)生；另一方面也要引導學生從相近的問題中比較出不同的細節(jié)，以免錯用物理模型，從而避免機械地套用模型.該題給出錯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)之所以認為(D)選項正確，原來是物理模型選用錯誤，而選錯模型的主要原因是僅僅進行了淺層的類比，沒有進行細節(jié)的比較，直接應用等量同種電荷的連線上電勢的分布規(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題，而是我們又錯過了一次引導學生正確應用物理方法分析問題的機會.

圖2

在進行該題的講評時，只要我們對學生進行追問：該題中O1、O2之間電勢的分布真的與等量同種電荷的連線上電勢的分布規(guī)律相同嗎？在教師的啟發(fā)下，大多數(shù)學生都會發(fā)現(xiàn)是不一樣的，并且能夠畫出圖2所示的等量同種(正)電荷的連線上電勢分布的圖像.其特點是，從理論上說，只要無限接近兩個點電荷，電勢就逐漸趨向無窮大.而該題的x軸與兩圓環(huán)上每一點的距離至少為R，x軸上各點的電勢是兩個圓環(huán)的電荷所產(chǎn)生的電場的電勢的代數(shù)和，這也是數(shù)學建模的依據(jù).那么，從O1沿x軸到O2的電勢到底如何變化呢？能不能通過簡潔的物理方法作出判斷呢？

2 引導學生通過等效替代法選用正確的物理模型

我們不妨設計這樣一個問題：一半徑為R的圓環(huán)上均勻分布正電荷Q，其圓心處的電勢為φ1.在距離一個電荷量也為Q的孤立的正點電荷R處的電勢為φ2.則φ1、φ2哪個大？

在教師的引導下，學生對兩個電場進行比較分析，應該能夠認識到點電荷的電場中某點的電勢是由點電荷的電荷量和該點到點電荷的距離決定的，圓環(huán)可以分解為無數(shù)個點電荷，而圓心到圓環(huán)上每一點的距離均為R，電勢是標量，所以不難得出φ1=φ2.在此基礎上，再進一步分析，會認識到垂直于環(huán)面且過圓環(huán)圓心的軸線上的電勢分布與距離點電荷距離為R的直線上的電勢分布規(guī)律是相同的.這時，再把學生的思維引向原題中的雙帶電圓環(huán)，學生一定會豁然開朗，發(fā)現(xiàn)與兩個等量的同種點電荷的連線平行的直線上電勢的分布與原題中x軸線上的電勢的分布規(guī)律是一樣的.這樣通過等效替代法將問題轉(zhuǎn)化如下.

圖3

例2.如圖3所示，O1、O2處各放一個電荷量均為+Q的點電荷，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，且O1A、O2B均與x軸垂直，則在x軸上從A點到B點的電勢如何變化？

圖4

問題轉(zhuǎn)化后，分析兩個點電荷電場的電勢變化要簡單得多.要判斷沿x方向電勢如何變化，就要看電場強度在x方向的分量Ex的方向，電勢沿著Ex方向降低.學生不難畫出兩個點電荷分別在A點產(chǎn)生的電場強度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點起沿x方向的電勢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)選項是錯誤的，如果僅從解題的角度，該題在應用類比法、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)選項改為“從O1點沿x軸到O2點，電勢一定先升高后降低”是不是就正確呢？

3 引導學生通過極端條件法判斷物理問題的多種可能性

超導是在極低溫度下發(fā)現(xiàn)的，核聚變在極高溫下才能發(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知的邊界，突破這個邊界就可能有驚喜的發(fā)現(xiàn).我們在教學中也要善于引導學生去探索物理問題的邊界條件.那么可能影響從A點到B點的電勢變化規(guī)律的邊界在哪里？當一籌莫展時，那就將邊界推向兩個極端，圖3所示的x軸的一個邊界是與兩個點電荷無限接近，一個邊界是與兩個點電荷的距離非常遠.

當x軸與兩個點電荷無限接近時，x軸上AB這一段就無限接近兩個點電荷的連線，而兩個電荷的連線的中點電勢是最低的(圖2中的最低點).前面已經(jīng)從圖4判斷出從A點起沿x方向開始的一段電勢肯定是升高的，所以，當x軸與兩個點電荷比較近的條件下，A點到B點的電勢應該先升高再降低再升高再降低.

當x軸與兩個點電荷的距離很遠時，即x軸與兩個點電荷的距離遠大于兩點電荷間的距離，在如此遠的距離上，兩個點電荷已經(jīng)近到幾乎可以看成一個點電荷，因此，經(jīng)過此處的等勢面已經(jīng)非常接近球面了.在我們所研究的平面內(nèi)的等勢線就接近圓，AB就相當于這個圓的一條割線，從A點到B點的電勢必然是先升高后降低.

通過以上物理方法的運用，最終得出從O1點沿x軸到O2點的電勢變化情況為：在兩圓環(huán)間距離一定的情況下，當圓環(huán)的半徑比較小時，從O1點沿x軸到O2點的電勢先升高再降低再升高再降低；當圓環(huán)的半徑比較大時，從O1點沿x軸到O2點的電勢先升高后降低.

物理教學中重視物理方法的滲透能夠促進學生從物理學的視角認識、分析與解決問題，從而加深對物理概念與物理規(guī)律的理解，形成正確的物理觀念，并在物理方法的運用過程中使物理思維能力得到鍛煉.作為物理教師，應該善于從普通物理問題中挖掘所蘊含的物理方法，尋找物理方法教育的機會，才能使物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落到實處.