“恒與變”的辯證原理在物理教學中的應用

摘要:辯證法的思想和方法是解決物理問題的良好途徑。本文通過幾個例題來說明“恒與變”的辯證原理在物理教學中的應用。

關鍵詞:“恒與變”;物理教學;應用

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2010)5(S)-0008-2

辯證法告訴我們恒是相對的，變是絕對的，恒與變是相互依存，在一定條件下可以相互轉化的。物理教學要解決好學與用的問題，這是新課改的核心，也是我們物理教師的追求。而辯證法的思想和方法是幫助我們實現學以致用的好途徑、好方法。

1 “恒中有變，變中生恒”思想在現代科技、生活中的應用

現代生產和生活中有時對環境溫度要求是“恒溫”，但“一成不變”的恒溫是不可能實現的，它只不過是在恒溫點附近的動態變化中保持“恒溫”。比如空調、電飯煲的保溫等。

如現代家庭中使用的電熱驅蚊器的原理是:通電后電阻器開始發熱，溫度上升，使藥片散發出驅蚊藥，當電熱器產生的熱與向外散發的熱平衡時，溫度達到一個穩定值。電熱驅蚊器中電熱部分的主要元件是PTC，它是由鈦酸鋇等半導體材料制成的電阻器，其電阻率ρ與溫度t的個關系圖象如圖1。由圖象可以判定:通電后，PTC電阻器的功率變化情況是________，穩定時的溫度應取________區間的某一值。

分析 本題中PTC(鈦酸鋇等半導體材料制成的電阻器)是如何在開始加熱后又保持一定的溫度呢? 通電后應認為電壓U不變。隨著溫度的升高，在(0~t1)范圍內，電阻率隨溫度的升高而減小，因為電阻減小，電功率增大，所以驅蚊器溫度持續上升;在(t1~t2)范圍內，電阻率隨溫度的升高而增大，因此電阻增大，電功率減小。當電熱器產生的熱與向外散發的熱平衡時，溫度、電阻、電功率都穩定在某一值。這一溫度應在t1~t2間。事實上這一“恒溫”是在動態中維持的:當溫度下降時(在t1~t2間)由于電阻率減小，電功率增大，這時電熱器產生的熱大于向外散發的熱所以溫度就回升到恒溫值;反之當溫度上升時同樣會回到穩定溫度值。

答案 功率變化是先增大后減小，最后穩定在某一值。這時溫度應在t1~t2間。

2 恒與變在動態問題分析中的應用

物理的動態問題分析是學生的學習難點，又是教學的難點。而利用辯證法是突破這一難點的有效方法。在動態問題的分析中就是要善于抓住恒(不變)的量來討論變化的量，這是解決動態問題的通用方法。如下例:

例1 在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗中，利用實驗得到了8組數據，在圖2(a)所示的I-U坐標系中，通過描點連線得到了小燈泡的伏安特性曲線。現將同種規格的兩個這樣的小燈泡并聯后再與10Ω的定值電阻串聯，接在電壓恒為8V的電源上，如圖2(b)所示，則電流表的示數為______A，每個小燈泡的功率為______W。

分析 本題是恒定電源對非線性元件供電。由于電阻變化所以歐姆定律(公式法)無能為力。利用小燈泡的伏安特性曲線圖看來是唯一的辦法!我們想到恒定電源有一與外電阻無關的I-U關系圖，這一路端電壓與干路電流的圖線是恒定的，它的關系式為U′=E-rI′。用等效原理把定值電阻R(10Ω)看成電源內阻r，干路中的電流是兩個小燈泡的電流之和即I′=2I，路端電壓U′=U。經這等效轉化后該電源的路端電壓與干路電流關系式U=E-rI′可表達為U=8- 20I，這樣電源、電阻的(U、I)意義完全一致，所以在同一坐標系上分別作出它們的圖線，其交點必為電路的工作點:U=2V，I=0.3A。故本題答案:電流表的示數為0.6A，每個小燈泡的功率為 0.6W。本題關鍵是抓住電源的路端電壓與干路電流關系U=E-rI′圖線與外電阻R無關是唯一確定的!

例2 如圖4所示，長為L的輕桿A一端固定一個質量為m的小球B，另一端固定在水平轉軸O上，輕桿繞轉軸O在豎直平面內勻速轉動，角速度為ω。在輕桿與水平方向夾角α從0°增加到90°的過程中，下列說法正確的是

A.小球B受到輕桿A作用力的方向一定沿著輕桿A

B.小球B受到的合力的方向一定沿著輕桿A

C.小球B受到輕桿A的作用力逐漸減小

D.小球B受到輕桿A的作用力對小球B做正功

分析 本題是力學綜合題，考查勻速圓周運動的條件及功能關系。

因為小球B的機械能增加所以輕桿A對小球B的作用力對其做正功，D對，A錯。又因為小球B做勻速圓周運動所以B對。由于小球B受到輕桿A的作用力與重力的合力提供向心力，在輕桿與水平方向夾角α從0°增加到90°的過程中，重力、及向心力(合力)都不變，但夾角β減小，(如圖5)故C對。本題關鍵是要抓住重力、向心力(大小)不變夾角β減小來討論輕桿對B作用力的變化情況。

(欄目編輯趙保鋼)