【摘要】物理抽象思維是用我們頭腦進(jìn)行判斷和推理，并用這種形式反映物理事物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以此實(shí)現(xiàn)認(rèn)識(shí)物理事物的本質(zhì)特征和內(nèi)在聯(lián)系的過(guò)程，它是以物理概念為起點(diǎn)進(jìn)行思維.本文討論中學(xué)生在學(xué)習(xí)物理學(xué)科的過(guò)程中，面對(duì)各種抽象的、不易理解的知識(shí)時(shí)，如何從物理概念出發(fā)，運(yùn)用各種物理方法發(fā)展學(xué)生的物理抽象思維能力，使學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的過(guò)程中，對(duì)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行深入的理解，增加學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果.

【關(guān)鍵詞】高中物理；抽象思維；學(xué)生培養(yǎng)

高中物理不僅知識(shí)范圍廣，而且知識(shí)的深度也在不斷增加，例如在初中只學(xué)習(xí)與生活息息相關(guān)的聲、光、熱、力、電等基本知識(shí)，到了高中，物理知識(shí)的抽象性和邏輯性明顯提升了一個(gè)層次，對(duì)學(xué)生的抽象思維能力提出了更高的要求.因此，在中學(xué)生學(xué)習(xí)物理過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生的物理抽象思維能力就變得至關(guān)重要，本文將論述物理教師在教學(xué)過(guò)程中如何有效地對(duì)學(xué)生物理抽象思維能力進(jìn)行培養(yǎng).

1 教學(xué)運(yùn)用多媒體軟件，豐富學(xué)生表象

隨著科技的不斷發(fā)展，多媒體軟件在教學(xué)中已經(jīng)取得了不可替代的地位.多媒體可以使課堂教學(xué)更加生動(dòng)有趣，學(xué)生們通過(guò)多媒體學(xué)習(xí)的過(guò)程也會(huì)使知識(shí)更加豐富.與傳統(tǒng)教學(xué)相比，多媒體所提供的圖象和動(dòng)態(tài)圖等技術(shù)，使課堂上的教學(xué)情境更加生動(dòng)有趣，從視覺聽覺兩方面對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)生效果，能很好地吸引學(xué)生們的注意力.多媒體的課件通常由教師在課前準(zhǔn)備，這使得本節(jié)課的教學(xué)有了一個(gè)明確的思路，既增加了課堂中講授的內(nèi)容，也提高了課堂上教學(xué)的效率.多媒體運(yùn)用最重要的作用是豐富了學(xué)生的表象，提高了學(xué)生抽象思維能力.在物理教學(xué)中，現(xiàn)代多媒體教學(xué)軟件如MATLAB的運(yùn)用，可以使用可視化呈現(xiàn)各種靜態(tài)、動(dòng)態(tài)場(chǎng)景.使用MATLAB模擬帶電粒子的運(yùn)動(dòng)使得學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，從而更加深入地理解物理原理.

2 MATLAB輔助帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)教學(xué)

在現(xiàn)代物理電學(xué)中，我們通常使用電場(chǎng)去對(duì)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制與改變.通過(guò)電場(chǎng)力對(duì)粒子進(jìn)行加速，這是我們通過(guò)電場(chǎng)去控制帶電粒子的最簡(jiǎn)單的一種情況.在此狀況下，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)速度方向與場(chǎng)強(qiáng)的方向相同或相反.在正式講授新課前，教師先讓學(xué)生們思考一下分析帶電粒子加速的問題、判斷不同情況下分別適合運(yùn)用哪種情境.學(xué)生通過(guò)思考，回答一種是在力學(xué)條件下，結(jié)合我們所學(xué)過(guò)的牛頓第二定律與勻變速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)；另一種是通過(guò)功與能量之間的關(guān)系，將靜電力做功與動(dòng)能定理相結(jié)合來(lái)分析.當(dāng)面對(duì)勻強(qiáng)電場(chǎng)一類的問題而且題中有時(shí)間等運(yùn)動(dòng)學(xué)的物理量時(shí)，我們應(yīng)該運(yùn)用前一種思路分析題目；當(dāng)問題有關(guān)位移、質(zhì)量、速度、能量等物理量時(shí)或在面對(duì)非勻強(qiáng)電場(chǎng)情境時(shí)，我們通常使用后一種思路去進(jìn)行分析.

教師引導(dǎo)學(xué)生如何思考并分析帶電粒子加速問題屬于建構(gòu)主義理論，建構(gòu)主義主要強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)前自身已經(jīng)有相關(guān)知識(shí)的經(jīng)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，這種學(xué)習(xí)理論認(rèn)為學(xué)生每當(dāng)要學(xué)習(xí)新知識(shí)或者解決新問題時(shí)通常將新知識(shí)建構(gòu)在自己的已有經(jīng)驗(yàn)上，依靠自身的認(rèn)知來(lái)對(duì)新知識(shí)、新問題加以解釋.建構(gòu)主義認(rèn)為教師是學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的協(xié)助者與合作者.建構(gòu)主義認(rèn)為教學(xué)并不是簡(jiǎn)單地將教師的教轉(zhuǎn)換成學(xué)生的學(xué)，而是教師與學(xué)生共同相互學(xué)習(xí)的過(guò)程中，在學(xué)生遇到困難時(shí)對(duì)學(xué)生提供幫助和指點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生在自身的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出新的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，教師在教學(xué)過(guò)程中主要起引導(dǎo)的作用.在教學(xué)中教師要分析哪種情況能夠較好地發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性、積極性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思維能力，提高學(xué)生的研究能力和創(chuàng)造才能，能很好地鍛煉學(xué)生多方面思考問題的能力，而且有利于活躍課堂氣氛和學(xué)術(shù)氛圍.

當(dāng)帶電粒子運(yùn)動(dòng)的初速度方向與場(chǎng)強(qiáng)方向相互垂直時(shí)，靜電力方向和運(yùn)行速度方向也相互垂直，根據(jù)已經(jīng)學(xué)過(guò)的知識(shí)，學(xué)生們推斷帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡將發(fā)生偏轉(zhuǎn).請(qǐng)學(xué)生們回想一下以前學(xué)習(xí)這類運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)是如何進(jìn)行研究的.學(xué)生們經(jīng)過(guò)討論得出，在勻強(qiáng)電場(chǎng)中，帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡是一條拋物線.對(duì)這種帶電粒子運(yùn)動(dòng)的分析思路，跟平拋運(yùn)動(dòng)是一樣的，不同的是平拋運(yùn)動(dòng)物體所受到的是重力，而上述帶電粒子所受到的是靜電力.教師引導(dǎo)學(xué)生猜想在極板中間位置水平射入一個(gè)帶電粒子，該帶電粒子將如何進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，為了使學(xué)生更直觀地觀察到帶電粒子在極板間的運(yùn)動(dòng)情況，教師使用MATLAB軟件仿真帶電粒子在平行板電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)動(dòng)畫.

戴爾的經(jīng)驗(yàn)之塔理論倡導(dǎo)教學(xué)應(yīng)逐步從具體轉(zhuǎn)向抽象，在學(xué)習(xí)中，我們首先要積累大量的直接經(jīng)驗(yàn)以此來(lái)做為間接經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ).在“塔”腰的視聽教學(xué)媒體能為學(xué)習(xí)者提供一種戴爾所謂的替代經(jīng)驗(yàn)，對(duì)解決學(xué)習(xí)中具體經(jīng)驗(yàn)和抽象經(jīng)驗(yàn)之間的矛盾具有極大作用.高中物理對(duì)學(xué)生的抽象思維能力的要求相對(duì)要高，因此在教學(xué)過(guò)程中合理運(yùn)用物理圖象功能，可以使物理知識(shí)的抽象性變成具體的物理情境，有利于拓展學(xué)生分析和解決物理問題的思路，所以，物理圖象在高中物理教學(xué)中有重要功能.

例如 現(xiàn)根據(jù)MATLAB演示圖象假設(shè)正負(fù)極板長(zhǎng)度為L(zhǎng)，相距為d，極板間的電壓為U，形成勻強(qiáng)電場(chǎng).現(xiàn)在水平射入一個(gè)初速度為v0的電子，求電子射出電場(chǎng)時(shí)沿垂直于板面方向偏移的距離y.

（學(xué)生作答）解 電子在電場(chǎng)中的加速度是a=Fm=eEm=eUmd電子射出電場(chǎng)時(shí)，在垂直于板面方向偏移的距離為y=12at2.其中t為飛行時(shí)間.由于電子在平行于板面方向不受力，所以在這個(gè)方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，由L=v0t可求t＝1v，于是電子在垂直于板面方向偏移的距離為y=eUl22mdv20.

布魯納認(rèn)為，學(xué)習(xí)者不是被動(dòng)地接受知識(shí)，而是主動(dòng)地獲取知識(shí)，并通過(guò)把獲得的新知識(shí)和已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)聯(lián)立起來(lái)，積極地構(gòu)建其知識(shí)體系.教師在教學(xué)過(guò)程中要引導(dǎo)學(xué)生將新知識(shí)與過(guò)去已經(jīng)學(xué)的知識(shí)建立起聯(lián)系，從而經(jīng)過(guò)自己的認(rèn)知思考獲取新知識(shí)體系.

3 MATLAB輔助帶電粒子在磁場(chǎng)中的教學(xué)

在學(xué)習(xí)完洛倫茲力的概念后，教師引導(dǎo)學(xué)生們一起來(lái)思考一下以下幾個(gè)問題.洛倫茲力在什么平面內(nèi)；洛倫茲力方向怎么變化、大小怎么變化；對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷是否做功；洛倫茲力對(duì)運(yùn)動(dòng)粒子起著什么作用；帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)具有什么特點(diǎn).學(xué)生在教師的引導(dǎo)下總結(jié)當(dāng)帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，洛倫茲力的方向總與其運(yùn)動(dòng)的速度方向相互垂直，所以洛倫茲力的存在并不會(huì)對(duì)帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度的大小產(chǎn)生改變，也就是說(shuō)，洛倫茲力不對(duì)帶電粒子做功.接下來(lái)教師將帶領(lǐng)學(xué)生來(lái)探究受洛倫茲力作用的帶電粒子是如何運(yùn)動(dòng)的.學(xué)生經(jīng)過(guò)分析得出，由于帶電粒子在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中它的速度的大小并不會(huì)發(fā)生改變，帶電粒子在運(yùn)動(dòng)中的洛倫茲力的大小也不改變，而且洛倫茲力的方向總與速度方向垂直，根據(jù)我們學(xué)習(xí)過(guò)的圓周運(yùn)動(dòng)，學(xué)生們推導(dǎo)出洛倫茲力應(yīng)該是提供了一種向心力.所以，沿著與磁場(chǎng)垂直的方向射入磁場(chǎng)的帶電粒子，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng).

教師提問：帶電粒子的質(zhì)量為m，電荷量為q，速率為v，它在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，求軌道半徑與粒子運(yùn)動(dòng)周期.教師基于在帶電粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中洛倫茲力起到向心力的作用，向?qū)W生提問向心力和洛倫茲力大小公式，從而引導(dǎo)學(xué)生推出帶電粒子的運(yùn)動(dòng)半徑與周期.

4 MATLAB輔助帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)教學(xué)

帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)包括帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)、勻強(qiáng)磁場(chǎng)及復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，是高考的重點(diǎn)和難點(diǎn).該題運(yùn)動(dòng)情境復(fù)雜，涉及知識(shí)面廣，將多方面知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，題目難度偏大，對(duì)考生的抽象思維能力、綜合分析能力及解決物理問題的能力有著較高的要求，是物理這門學(xué)科在高考中常見的壓軸題.

帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問題屬于場(chǎng)的性質(zhì)和力學(xué)規(guī)律的綜合應(yīng)用，解決此類問題以力學(xué)思路為主線，可設(shè)置從運(yùn)動(dòng)和力的觀點(diǎn)解決帶電粒子在電場(chǎng)中的加速和偏轉(zhuǎn)問題，從運(yùn)動(dòng)和力的觀點(diǎn)解決帶電粒子在磁場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng)問題.然而帶電粒子的運(yùn)動(dòng)問題非常抽象，對(duì)高中學(xué)生解決該類問題造成了巨大困難，因此教師應(yīng)使用MATLAB等多媒體軟件幫助學(xué)生更深入地對(duì)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)問題進(jìn)行理解.對(duì)于該類問題應(yīng)幫助學(xué)生區(qū)分在不同種場(chǎng)中，帶電粒子運(yùn)動(dòng)的情況分別是怎樣的，以便于學(xué)生能在日后做題的過(guò)程中對(duì)于不同種電磁場(chǎng)的情況能夠加以區(qū)分，清晰透徹地對(duì)習(xí)題進(jìn)行理解，從而更好地解決物理問題.帶電粒子的運(yùn)動(dòng)主要分為以下幾種類型.

4.1 電場(chǎng)強(qiáng)度不為零，磁場(chǎng)強(qiáng)度為零

若只存在勻強(qiáng)電場(chǎng)，當(dāng)帶電粒子以初速度v0射入電場(chǎng)中，此時(shí)帶電粒子在電場(chǎng)力的作用下運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，此時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡為拋物線.

4.2 電場(chǎng)強(qiáng)度為零，磁場(chǎng)強(qiáng)度不為零

若只存在勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)帶電粒子產(chǎn)生洛倫茲力.如果粒子射入磁場(chǎng)方向與磁場(chǎng)B方向垂直，則帶電粒子會(huì)在垂直與恒定磁場(chǎng)B的方向與速度v的方向確定的平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，此時(shí)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)可視為二維運(yùn)動(dòng).

我們所學(xué)過(guò)的回旋加速器就是利用帶電粒子在電磁場(chǎng)中的二維運(yùn)動(dòng)，在電場(chǎng)中粒子受到電場(chǎng)力做勻加速運(yùn)動(dòng)，加速到磁場(chǎng)后做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，這樣便可以不斷地實(shí)現(xiàn)對(duì)帶電粒子的短距離加速運(yùn)動(dòng)，從而使帶電粒子獲得更快的速度.回旋加速器的過(guò)程雖然不復(fù)雜，卻十分抽象，因此要想使學(xué)生真正對(duì)回旋加速器進(jìn)行徹底理解，在教學(xué)中還需要利用MATLAB對(duì)學(xué)生進(jìn)行演示，使學(xué)生對(duì)回旋加速器知識(shí)有更深的理解.

然而，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B與粒子的速度v成任意角θ時(shí)，我們的帶電粒子運(yùn)動(dòng)軌跡卻發(fā)生變化，射入磁場(chǎng)的粒子初速度v可分解為平行于B的分量大小v·cosθ和垂直于B的分量vsinθ，因此質(zhì)點(diǎn)將以平行于磁場(chǎng)的速度沿著磁場(chǎng)方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，而對(duì)于垂直于B的速度分量，磁場(chǎng)是橫向的，因而粒子做圓周運(yùn)動(dòng)，這兩種運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)是螺旋運(yùn)動(dòng).

4.3 電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)存在

當(dāng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)存在時(shí)，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)情況具有多樣化，而不是像只存在電場(chǎng)或磁場(chǎng)那樣僅靠受力分析以及運(yùn)動(dòng)的疊加就能推演出來(lái).因此，MATLAB仿真模擬在電磁場(chǎng)同時(shí)存在的情況下更加重要.

4.3.1 帶電粒子射入同向電磁場(chǎng)

當(dāng)電場(chǎng)方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí)，此時(shí)帶電粒子斜射入同向恒定的電磁場(chǎng)將會(huì)同時(shí)受到電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相互作用.與只受磁場(chǎng)作用的粒子相比，在同向電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的粒子在做等距螺旋運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也會(huì)受到一個(gè)與磁場(chǎng)方向一致的電場(chǎng)力.如果粒子帶正電，電場(chǎng)力將使粒子在電磁場(chǎng)方向做勻加速運(yùn)動(dòng)；如果粒子帶負(fù)電，則粒子會(huì)在電磁場(chǎng)方向做勻減速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)結(jié)合帶電粒子斜射入磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，我們用MATLAB仿真出帶電粒子射入同向恒定電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)軌跡.（1）當(dāng)粒子帶正電時(shí)，粒子運(yùn)動(dòng)為螺距隨時(shí)間線性增加的螺旋運(yùn)動(dòng)；（2）當(dāng)粒子帶負(fù)電時(shí)，粒子運(yùn)動(dòng)為螺距隨時(shí)間線性減少的螺旋運(yùn)動(dòng).

4.3.2 帶電粒子射入垂直方向電磁場(chǎng)

當(dāng)磁場(chǎng)和電場(chǎng)同時(shí)存在時(shí)，電場(chǎng)與磁場(chǎng)方向相互垂直，帶電粒子以初速度v0沿與勻強(qiáng)磁場(chǎng)的方向夾角為60°的方向進(jìn)入復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，在帶電粒子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，同時(shí)受洛倫茲力和垂直于磁場(chǎng)方向的電場(chǎng)力的作用.因此，帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中做斜的螺旋運(yùn)動(dòng).

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