羅文

[摘? ?要]高中階段是學(xué)生形成物理思想，提升思維能力的重要階段。文章結(jié)合高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)要分析了物理思維方法的重要性，并結(jié)合教學(xué)實(shí)踐分析了思維臺(tái)階的創(chuàng)設(shè)。經(jīng)過(guò)物理思維訓(xùn)練，學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)可以得到有效提升，學(xué)生的解題能力也能得到提升。

[關(guān)鍵詞]高中物理;思維方法;思維臺(tái)階

[中圖分類號(hào)]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? ?A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2021）20-0048-03

一、思維方法、思維臺(tái)階概述

假如把物理學(xué)比成一棵參天大樹，物理知識(shí)就是若干樹葉，物理思維方法則是將樹葉與樹干連接起來(lái)的枝丫。物理思維方法有著非常好的連接建構(gòu)功能。在物理學(xué)習(xí)研究過(guò)程中，運(yùn)用恰當(dāng)?shù)奈锢硭季S方法或路徑，能有效解決相關(guān)問(wèn)題。在高中物理教學(xué)中，教師一定要重視思維方法的講解，讓學(xué)生理解掌握思維方法，并能有效運(yùn)用相應(yīng)的思維方法解決具體問(wèn)題，提升學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)以及解決物理問(wèn)題的能力。

1.高中物理中典型思維方法

高中物理中典型思維方法有整體法、隔離法、等效法、圖像法、假設(shè)法、極值法等，熟練掌握并靈活運(yùn)用相應(yīng)的思維方法，可以有效解決物理問(wèn)題或是深刻理解相應(yīng)的物理概念、規(guī)律。物理問(wèn)題涉及概念、規(guī)律、公式、推論等，這其中有許多變化因素，也就導(dǎo)致物理問(wèn)題變化的多樣性及復(fù)雜性。物理問(wèn)題的解答過(guò)程，就是挑選恰當(dāng)?shù)慕獯鸱桨覆⒕唧w求解的過(guò)程。在多個(gè)解答方案中，對(duì)于已經(jīng)給出一定物理?xiàng)l件的問(wèn)題，有些解答方案是可以用的，而有些解答方案是不適合的（運(yùn)用這些方案不能有效解答問(wèn)題）;有些解答方案簡(jiǎn)單、快捷，有些解答方案煩瑣、復(fù)雜。有的物理問(wèn)題有多種解答方案，每種方案又各具特色，但是有的解答方案更具特色?？偠灾?，在解決問(wèn)題的過(guò)程中，挑選解答方案的原則就是準(zhǔn)確且恰當(dāng)。

2.思維臺(tái)階簡(jiǎn)述

眾所周知，一座5米的障礙不是很高，但是一般人卻不能徒手翻越，而黃山有1864.8米高，為何大多數(shù)游客都能夠輕松翻越？原來(lái)，黃山上有足夠多的“樓梯”、臺(tái)階，所以人們才能登上峰頂，一覽眾山小。

教師在講解題目的時(shí)候，給學(xué)生鋪設(shè)一級(jí)一級(jí)的物理思維臺(tái)階，帶領(lǐng)學(xué)生解決物理問(wèn)題，幫助學(xué)生掌握相應(yīng)的物理知識(shí)、物理思維方法。實(shí)際上，這里所說(shuō)的思維方法就是解決物理問(wèn)題所需要的方法，當(dāng)這個(gè)解決問(wèn)題的方法被分解成一個(gè)個(gè)學(xué)生容易理解掌握的小方法時(shí)，這些小方法就是所謂的思維臺(tái)階。面對(duì)一個(gè)較復(fù)雜的物理問(wèn)題，如果教師能恰當(dāng)?shù)貫閷W(xué)生創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的思維臺(tái)階，學(xué)生便能獨(dú)立解決物理問(wèn)題，可見思維臺(tái)階在物理教學(xué)中是非常重要的。

二、思維方法與思維臺(tái)階應(yīng)用

1.運(yùn)用比值定義法有效解決問(wèn)題

物理思維是在學(xué)生理解掌握基本物理概念、物理規(guī)律的基礎(chǔ)上，針對(duì)相關(guān)的物理現(xiàn)象或問(wèn)題展開的。因此在物理學(xué)習(xí)過(guò)程中，一般是先學(xué)習(xí)某個(gè)知識(shí)的概念、定義、公式、單位，等等。比如，動(dòng)量是描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量，是矢量;動(dòng)能也是描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量，卻是標(biāo)量;磁感應(yīng)強(qiáng)度是描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱和方向的物理量等。我們可以直接利用這些已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的概念、公式解答相關(guān)物理問(wèn)題。在具體解決相關(guān)物理問(wèn)題的教學(xué)過(guò)程中，教師可以依據(jù)題目給出的條件、要求，選擇恰當(dāng)?shù)乃季S方法，并創(chuàng)設(shè)合適的思維臺(tái)階，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)方法，解決問(wèn)題。下面以電容概念問(wèn)題為例進(jìn)行分析探討，用以說(shuō)明如何創(chuàng)設(shè)思維臺(tái)階，提升思維能力。

[例1]現(xiàn)在有兩塊帶電的金屬板，將它們放在真空中，兩塊金屬板之間相距[2 cm]，兩塊金屬板的面積都是[20 cm2]，兩塊金屬板的帶電量分別為[Q1=1×10-8 C]，[Q2=-1×10-8C]。一個(gè)帶電量[q=4×10-9 C]的點(diǎn)電荷放置在兩金屬板之間的中點(diǎn)，求點(diǎn)電荷所受的作用力。

解析：比值定義法是物理學(xué)中經(jīng)常用到的方法，有相當(dāng)多的物理概念是用比值定義法定義的。如電勢(shì)[U=Wq]、磁感應(yīng)強(qiáng)度[B=FIL]、電容[C=QU]等都利用了比值定義法。這個(gè)題目明顯涉及電容，有兩塊帶電的金屬板放在真空中，兩金屬板之間的距離為2 cm，其間形成了勻強(qiáng)電場(chǎng)，電場(chǎng)中的點(diǎn)電荷受到電場(chǎng)力的作用，教師在教學(xué)中可以根據(jù)比值定義的思維方法創(chuàng)設(shè)思維臺(tái)階。

思維臺(tái)階1.首先根據(jù)電容的決定式，計(jì)算出電容的大小[C=εS4πkd=20×10-44×3.14×9×109×2×10-2=0.88×10-12（F）]。

然后根據(jù)題目中要求的點(diǎn)電荷所受的作用力[F=Eq]，q是已知的，顯然E是下一步要計(jì)算的，可根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度的公式[E=Ud]計(jì)算。

思維臺(tái)階2：知道了兩極板間的距離d的大小，還需要求兩極板間的電勢(shì)差U的大小，根據(jù)電容的定義式[C=QU]，變形可以得到[U=QC]，計(jì)算出[U=1×10-80.88×10-12]=1.14×104（V），再將結(jié)果代入[E=Ud]計(jì)算出E=5.7×105（V/m）。

最終計(jì)算出：

[F=Eq]=4×10-9×5.7×105=2.28×10-3（N）

實(shí)際上，有的學(xué)生拿到這道題時(shí)，就想當(dāng)然地理解成該點(diǎn)電荷受到兩金屬板所帶的電荷的作用力，并且發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)力的大小不僅相等，方向還是相同的。根據(jù)庫(kù)侖定律可知[F=kQ1qr2=9×109×1×10-8×4×10-9（1×10-2）2 ][=3.6×10-3]（N）。錯(cuò)誤地認(rèn)為[F=F1+F2=7.2×10-3]（N），方向是指向帶負(fù)電的金屬板，如圖1所示。

庫(kù)侖定律，只適用于點(diǎn)電荷之間的相互作用，學(xué)生混淆了該定律的應(yīng)用范圍、對(duì)象，而且本題中兩個(gè)帶電的金屬板面積較大，兩者之間的距離又偏近，因此金屬板上所帶的電荷不能看成是點(diǎn)電荷，所以不能用庫(kù)侖定律解答該題的。

2. 恰當(dāng)運(yùn)用物理規(guī)律解決物理問(wèn)題

有些物理規(guī)律反映的是對(duì)稱現(xiàn)象，例如，高中經(jīng)常用到的牛頓三大定律、電阻定律、楞次定律等。下面我們就用電場(chǎng)力做功與電勢(shì)能變化關(guān)系的題目為例講解分析一下在掌握物理規(guī)律方面是如何運(yùn)用物理思維方法來(lái)創(chuàng)設(shè)思維臺(tái)階的。

[例2]如圖2所示，存在一個(gè)與勻強(qiáng)電場(chǎng)平行的圓面，[LN]與[MK]是兩條相交的直徑并且是經(jīng)過(guò)圓心[O]的，沿著該圓的平面從L點(diǎn)向任何方向射入同種帶正電的粒子，并且初動(dòng)能都是相同的，其中從圓周上的N點(diǎn)射出的帶電粒子的動(dòng)能是最大的，不計(jì)粒子的重力，則（）。

A.勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)線是與MN平行的

B.圓周上各點(diǎn)中，N點(diǎn)的電勢(shì)是最低的

C.圓周上各點(diǎn)中，L點(diǎn)的電勢(shì)是最低的

D.帶電粒子從K到M的過(guò)程中電場(chǎng)力做功為0

解析：當(dāng)初我們?cè)趯W(xué)習(xí)電場(chǎng)力做功與電勢(shì)能變化關(guān)系的時(shí)候，有些問(wèn)題是關(guān)于帶電粒子在重力場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)組成的復(fù)合場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的，這種類型的題目在高中物理學(xué)習(xí)過(guò)程中，甚至在高考中都是典型的、關(guān)鍵的，所以教師在教授的時(shí)候，都是選擇將勻強(qiáng)電場(chǎng)類比成之前學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)的重力場(chǎng)進(jìn)行分析，這樣學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)便會(huì)輕松得多。

創(chuàng)設(shè)思維臺(tái)階1：將電場(chǎng)力做功與電勢(shì)能的關(guān)系類比成之前學(xué)習(xí)過(guò)的重力做功與重力勢(shì)能的關(guān)系，然后引導(dǎo)學(xué)生抓住幾個(gè)關(guān)鍵詞語(yǔ)“與勻強(qiáng)電場(chǎng)平行的圓面”“初動(dòng)能都是相同的”“帶正電”“N點(diǎn)”“動(dòng)能最大”。

如圖3所示，在重力場(chǎng)中，從圓周上的任意一點(diǎn)P向各個(gè)方向射出初動(dòng)能相同的物體（是完全相同的），分析關(guān)于落在圓周上各點(diǎn)的動(dòng)能。根據(jù)學(xué)過(guò)的動(dòng)能定理“[mg·Δh=Ekt-Ek0]”可知，最終落在最低點(diǎn)C點(diǎn)的動(dòng)能是最大的。

創(chuàng)設(shè)思維臺(tái)階2.根據(jù)等效思維知道勻強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)電場(chǎng)中帶正電的粒子的作用是與重力對(duì)重力場(chǎng)中物體的作用是一樣的，故A選項(xiàng)是錯(cuò)誤的。勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)線方向平行于LN并且是從L點(diǎn)指向N點(diǎn)，根據(jù)之前學(xué)習(xí)的“沿著電場(chǎng)線的方向，電勢(shì)越來(lái)越低”的物理規(guī)律可以知道，N點(diǎn)的電勢(shì)才是最低的，所以B選項(xiàng)是正確的。C選項(xiàng)是錯(cuò)誤的。由圖2可以得到，從K到M的過(guò)程中，電場(chǎng)力的方向與位移方向的夾角是銳角，所以D選項(xiàng)是錯(cuò)誤的，電場(chǎng)力做正功。

在這個(gè)典型的案例中，我們運(yùn)用了類比和等效的物理思維方法創(chuàng)設(shè)了合適的思維臺(tái)階，一步一步地帶領(lǐng)學(xué)生解答這道題，將一道復(fù)雜的電場(chǎng)題目通過(guò)類比、等效轉(zhuǎn)化成學(xué)生熟悉的重力場(chǎng)問(wèn)題，可見運(yùn)用正確的物理思維方法創(chuàng)設(shè)思維臺(tái)階對(duì)高中物理學(xué)習(xí)是必要的。

3.綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)突破難點(diǎn)問(wèn)題

一些簡(jiǎn)單的物理問(wèn)題可以根據(jù)物理概念、物理規(guī)律等創(chuàng)設(shè)合適的思維臺(tái)階讓學(xué)生解決，而那些相對(duì)復(fù)雜的重難點(diǎn)問(wèn)題，教師則可以創(chuàng)設(shè)合適的思維臺(tái)階引導(dǎo)學(xué)生解決。例如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁感應(yīng)等重難點(diǎn)問(wèn)題，學(xué)生一眼看不出解決問(wèn)題的思路，這時(shí)就需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)合適的思維臺(tái)階引導(dǎo)學(xué)生解決。下面以電場(chǎng)問(wèn)題為例進(jìn)行分析，探討相對(duì)復(fù)雜的難點(diǎn)問(wèn)題應(yīng)該如何創(chuàng)設(shè)思維臺(tái)階。

[例3]如圖4所示，相距為L(zhǎng)的兩水平面（虛線表示）之間有一個(gè)勻強(qiáng)電場(chǎng)，并且方向是水平向右。從水平虛線上方的C點(diǎn)將質(zhì)量為m，且電荷量分別為q和[-q（q>0）]的帶電小球P、Q沿著平行于電場(chǎng)的方向，先后以相同的速度射出。結(jié)果小球在重力的作用下進(jìn)入了電場(chǎng)區(qū)域，并且能夠從該區(qū)域的下邊界離開。已知小球Q離開電場(chǎng)時(shí)速度方向是豎直向下的;小球P在電場(chǎng)中做直線運(yùn)動(dòng)，而且小球Q剛離開電場(chǎng)時(shí)的動(dòng)能為小球P剛離開電場(chǎng)時(shí)動(dòng)能的[23]倍。不計(jì)空氣的阻力，重力的加速度大小為g。求：

（1）P與Q在電場(chǎng)中沿水平方向的位移之比;

（2）C點(diǎn)距離電場(chǎng)上邊界的高度;

（3）該電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小。

解析：設(shè)小球P、Q在C點(diǎn)水平射出時(shí)的初速度大小為[v0]，那么它們進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)的水平速度仍然為[v0]。

第（1）小問(wèn)，根據(jù)題目中給出的已知條件，Q離開電場(chǎng)時(shí)的速度方向是豎直向下的，可以創(chuàng)設(shè)思維臺(tái)階1：Q在水平方向的速度恰好減到0。由于勻強(qiáng)電場(chǎng)方向是水平向右的，所以小球P、Q在豎直方向只受重力作用，因此，小球P、Q在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t是相等的。它們?cè)陔妶?chǎng)力作用下產(chǎn)生的加速度沿水平方向，大小均為a。設(shè)P、Q在電場(chǎng)中沿水平方向的位移分別為[s1]和[s2]。

由已知條件和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可得：

[v0-at=0]①

[s1=v0t+12at2]? ? ? ?②

[s2=v0t+12at2]? ? ? ? ? ? ③

聯(lián)立①②③式可得：[s1s2=3]? ? ? ?④

第（2）小問(wèn)，要求C點(diǎn)距離電場(chǎng)上邊界的高度，那么就可以設(shè)C點(diǎn)距離電場(chǎng)上邊界的高度為l，小球下落l時(shí)在豎直方向上的分速度為[vy]，由勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與速度的關(guān)系式[v2-v02=2as]，可以創(chuàng)設(shè)思維臺(tái)階2：因?yàn)橐阎猯和L，所以由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式有：

[vy2=2gl]⑤

[L=vyt+12gt2]⑥

小球P進(jìn)入電場(chǎng)后做直線運(yùn)動(dòng)，由幾何關(guān)系可以知道：

[v0vy=s1L] ⑦

聯(lián)立①②⑤⑥⑦后，可以得知：[l=13L]

第（3）小問(wèn)，要求電場(chǎng)強(qiáng)度的大小，可以設(shè)該電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E，由題意可以知道小球P進(jìn)入電場(chǎng)后做直線運(yùn)動(dòng)，可以求得：

[v0vy=Eqmg]

根據(jù)動(dòng)能定理，可以創(chuàng)設(shè)思維臺(tái)階3：剛離開電場(chǎng)時(shí)，小球Q的動(dòng)能為小球P的[23]倍，由此建立等式，確定電場(chǎng)力和重力之間的關(guān)系。設(shè)小球P、Q離開電場(chǎng)時(shí)的動(dòng)能分別為[Ek1]、[Ek2]，所以有：

[Ek1=12m（v02+vy2）+mgL+qEs1]

[Ek2=12m（v02+vy2）+mgL-qEs2 ]

根據(jù)題目中給出的已知條件[Ek1=1.5Ek2 ]

聯(lián)立相關(guān)各式，可求得該電場(chǎng)的強(qiáng)度大小為[E=mg2q]

這道題充分運(yùn)用了電場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等知識(shí)，大多數(shù)學(xué)生可能只能解答第（1）小問(wèn)，對(duì)于第（2）、（3）小問(wèn)往往就束手無(wú)策了，但是創(chuàng)設(shè)了幾個(gè)合適的思維臺(tái)階后，這道題就能迎刃而解了，同時(shí)學(xué)生的物理解題能力也能得到提高。

在物理學(xué)習(xí)過(guò)程中，高中生會(huì)存這樣或那樣的困難，在實(shí)際物理教學(xué)中，需要教師對(duì)物理問(wèn)題進(jìn)行認(rèn)真分析，并在此基礎(chǔ)上，基于物理思維方法創(chuàng)設(shè)合適的思維臺(tái)階，就能有效引導(dǎo)學(xué)生解決棘手的物理問(wèn)題。

（責(zé)任編輯 易志毅）