學(xué)習(xí)普通物理有效方法的研究探討

何開棘 金遠(yuǎn)航 杜念擇

【摘 要】工科的大學(xué)生學(xué)好普通物理，除了要求具有一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)外，還要學(xué)會對物理情景的構(gòu)建，物理模型的刻畫，具備了這兩種能力，對于分析解決物理問題將事半功倍，另外對后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)也會有很大的幫助。

【關(guān)鍵詞】物理情景；物理模型；分析分解

《普通物理學(xué)》是工科大學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)課，它是研究物質(zhì)最普遍、最基本運(yùn)動形式的基本規(guī)律的一門學(xué)科，物理知識大致可分為力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等幾個模塊，每個模塊之間均存在一定的邏輯關(guān)系，并且與后續(xù)課程學(xué)習(xí)密切相關(guān)。然而對于初學(xué)者來說普遍認(rèn)為比較難學(xué)，難就難在物理概念不清楚，不能很好地將物理和數(shù)學(xué)思想很好地結(jié)合在一起。實(shí)際上普通物理是一門實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，一門與數(shù)學(xué)密切相聯(lián)的課程，學(xué)好普通物理除了具有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)外，還要注意物理情景的構(gòu)建、物理模型的刻畫及物理過程的分解分析。

1、構(gòu)建物理問題的物理情景是學(xué)好普通物理的基礎(chǔ)

在研究和探索事物規(guī)律的過程中為了便于發(fā)現(xiàn)其中本質(zhì)和屬性，需要建立一種抽象的理想的事物形態(tài)，是對某些事物中所包含的本質(zhì)及規(guī)律采用逐步逼近的描述方法，這就是我們所謂的構(gòu)建物理情景。在這個過程中，在物理問題中提取主要信息，對這些信息進(jìn)行詳細(xì)全面的解讀，去偽存真，注意抓住事物的本質(zhì)。例如，在研究行星繞太陽公轉(zhuǎn)運(yùn)動的時候，考慮到地球半徑，地球到太陽的距離是 地球到太陽的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地球本身的半徑，所以我們可以在研究行星繞太陽運(yùn)動規(guī)律時把問題簡化，看成質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動；我們在研究地球表面上物體運(yùn)動規(guī)律時，各點(diǎn)繞地軸旋轉(zhuǎn)的半徑不同，則不可把地球看作質(zhì)點(diǎn)。當(dāng)我們研究斜拋運(yùn)動物體的動力學(xué)規(guī)律時，首先要弄清是低速還是高速運(yùn)動物體，若是低速運(yùn)動完全可以忽略空氣阻力的影響，從而得出了斜拋運(yùn)動的一般規(guī)律；但如果是研究具體的高速運(yùn)動子彈的射程問題時，其所受的空氣阻力就不能忽略不計(jì)了，這時就必須對理想拋體的運(yùn)動方程進(jìn)行修正，從而得出更符合客觀實(shí)際的結(jié)論。因此，在解決具體的物理問題時，要注意構(gòu)建合理的理想情景，使得到的結(jié)論更好地符合客觀實(shí)際。

2、建立理想物理模型是學(xué)好普通物理的關(guān)鍵

著名物理學(xué)大師開爾文曾說過：“在沒有給研究對象建立起一個力學(xué)模型之前，我是永遠(yuǎn)都不會滿足的；如果我能成功地建立起一個模型。我就能理解它。否則我就不能。”這說明建立和應(yīng)用物理模型是創(chuàng)立物理科學(xué)理論的有力武器。所謂理想模型，是為了研究物理問題的方便，在對物理現(xiàn)象做仔細(xì)觀察和分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)其主要特點(diǎn)，撇開次要的、非本質(zhì)的因素，抓住本質(zhì)因素，從而建立一個易于研究、能反映研究對象的主要特征的新形象。建立理想模型的實(shí)質(zhì)就是把復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化為理想的簡單問題來研究和處理，主要目的是有利于問題的研究。

理想模型可以簡單分為對象模型、條件模型和過程模型三類。一是對象模型——用來代替研究對象實(shí)體的理想化模型，如質(zhì)點(diǎn)、剛體、彈簧振子、理想氣體、點(diǎn)電荷、點(diǎn)光源、密繞的長直螺線管以及關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的盧瑟福模型、波爾模型等都屬于對象模型。 二是條件模型——把研究對象所處的外部條件理想化建立的模型叫做條件模型。如光滑表面、輕桿、輕繩、均勻介質(zhì)、勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場都屬于條件模型。三是過程模型實(shí)際的物理過程都是諸多因素作用的結(jié)果，忽略次要因素的作用，只考慮主要因素引起的變化過程叫做過程模型，比如力學(xué)中彈性碰撞過程、熱學(xué)中的準(zhǔn)靜態(tài)過程、卡諾循環(huán)等等。

3、對物理過程的分解分析是學(xué)好普通物理的核心問題

前面我們已經(jīng)提到的構(gòu)建物理情景和建立理想模型是物理學(xué)研究中的抽象與概括的基本方法，是物理規(guī)律和物理理論賴以建立和發(fā)展的基礎(chǔ)，我們學(xué)習(xí)的目的是使用所學(xué)習(xí)的知識分析解決實(shí)際問題。因此，在利用其來研究解決物理問題時，必須先要認(rèn)真選擇好模型，再找出其研究對象的主要規(guī)律。另外注意對知識的深入理解和領(lǐng)會——明確物理定理和定律的內(nèi)涵及外延，在頭腦中建立一個完整而和諧的知識體系是必不可少的，物理學(xué)習(xí)的過程重在分析，比如分析一種運(yùn)動，有時要借助圖形，而且一些復(fù)雜運(yùn)動根本無法用圖形表示。這就需要在頭腦中建立起物理情景，讓物體“動”起來。熟練掌握一些經(jīng)典的物理模型十分有助于分析題目，看清題目本質(zhì)。分析具體的物理問題時，一般的我們要把問題進(jìn)行分解，把一個復(fù)雜的物理問題分解成幾個簡單過程或狀態(tài)的的順序疊加，找到每個過程或狀態(tài)對應(yīng)的物理模型和物理規(guī)律，從而來解決這個問題。比如經(jīng)典力學(xué)里有這樣一個問題：如圖示長為l的勻質(zhì)細(xì)桿，可繞過桿的一端O點(diǎn)的水平光滑固定軸轉(zhuǎn)動，開始時靜止于豎直位置.緊挨O點(diǎn)懸一單擺，輕質(zhì)擺線的長度也是l，擺球質(zhì)量為m.若單擺從水平位置由靜止開始自由擺下，且擺球與細(xì)桿作完全彈性碰撞，碰撞后擺球正好靜止.求： （1） 細(xì)桿的質(zhì)量.（細(xì)桿相對o軸轉(zhuǎn)動慣量為J=）（2） 細(xì)桿擺起的最大角度。

對于這個問題，我們就可以按著過程發(fā)生時間順序構(gòu)建物理情景建立對應(yīng)的物理模型，依次分解為：首先是擺球自由下落過程，看成質(zhì)點(diǎn)的機(jī)械能守恒的問題；然后是擺球與勻質(zhì)細(xì)桿的碰撞過程，看成質(zhì)點(diǎn)與剛體的彈性碰撞過程，遵循角動量守恒和機(jī)械能守恒定律；最后是細(xì)桿的向上擺動過程，看成剛體的機(jī)械能守恒問題，這樣問題就很容易解決了。

4、結(jié)論

當(dāng)我們能夠把構(gòu)建物理問題的物理情景、建立理想物理模型以及對物理過程的分解分析幾個關(guān)鍵掌握好，充分認(rèn)識和發(fā)揮它的積極作用，學(xué)好普通物理不是一件難事；另外有了這種思維方式以后，我們對其他的課程學(xué)習(xí)有會受益匪淺。