“阻礙”思想在高中物理化學解題中的應用

張曦+徐孝裕

摘 要：高中作為物理化學知識啟蒙的重要階段，楞次定律、化學平衡等物理化學理論是其重要組成部分之一。通過對楞次定律、化學平衡等物理化學理論共同點的發散思考，可以總結出具有一定程度的普適性的物理、化學試題的巧解方法——“阻礙”的思想。同時，“阻礙”思想不僅可以方便解題，提高解題速度及正確率，也可以啟發學生進行各學科知識的深入思考，有助于學生培養自我探索、分析總結、發散思維的優良習慣。

關鍵詞：“阻礙”思想；高中物理化學；解題

中圖分類號：G632.4

文獻標識碼：A

我們常常會遇到這樣的現象：大風天里，迎風走路會倍加艱辛；在水中行走比在陸地上更辛苦；掛在壁墻上的石英鐘電能耗盡時，秒針往往停在 “9”點的位置……對日常現象分析可知：迎風走路覺得艱難是因為風給人施加了阻力，對走路的行為產生了“阻礙”；在水中行走比陸地上更辛苦是因為水的阻力比空氣大，給人的運動產生了“阻礙”；秒針往往停在“9”點的位置是由于在“9”點位置處重力矩的阻礙作用最大，對其轉動產生了“阻礙”……由此看來，“阻礙”就是指對原有的運動或者變化趨勢起抑制作用的一種現象，它體現在我們生活的方方面面。同時，我們可以將“阻礙”的思想靈活地發散運用到物理、化學等學科的學習中。

一、“阻礙”思想在高中物理電磁學中的應用

電磁學作為現代物理學的一個重要分支，在高中物理教育階段中毫無疑問的是核心內容之一。該知識點既是學生解題的難點，也是考試的重點。在解答電磁學習題時，學生經常會遇到很多的困難，如若需要解決電磁學中的問題，往往最為基礎的判斷就是在相應的磁場中是否產生感應電流、安培力，并判斷安培力的方向。

1.傳統電磁學解法示例

如圖1、圖2所示，勻強電磁場垂直于紙面穿入或穿出，根據閉合線圈的運動方向判斷線圈內感應電流及安培力的方向。

如圖1，按課堂教學方法來看，勻強磁場垂直于紙面穿入，閉合線圈abcd以速度v向下進入磁場，此時分析閉合線圈穿越勻強磁場時安培力的方向，關鍵是分析線框進、出磁場時閉合線圈通過的磁場的變化。步驟一：閉合線圈進入磁場時，磁通量的變化使得閉合線圈中產生感應電流。根據右手定則，磁感線垂直穿過右手掌心，右手大拇指指向閉合線圈的運動方向，四指方向為感應電流的方向。則閉合線圈abcd中感應電流的方向為a→b；步驟二：根據左手定則，磁感線垂直穿過左手掌心，左手四指指向電流方向，大拇指方向為安培力的方向。因此可分析得到，閉合線圈ab邊安培力的方向為向上。

如圖2，勻強磁場垂直于紙面穿出，閉合線圈abcd以速度v向下穿出磁場。首先，根據右手定則判斷出閉合線圈abcd中產生的感應電流方向為c→d；然后，根據左手定則分析得到閉合線圈cd邊的安培力方向為向上。

將上述情形拓展，當勻強磁場垂直于紙面穿入（穿出），閉合線圈abcd以速度v向下穿出（進入）磁場時，閉合線圈cd（ab）邊的安培力的方向也為向上。

2.傳統電磁學解題方式的缺陷

由圖1、圖2可以看出，運用一般方法求安培力方向需左右手并用。在日常做題時，左右手并用可能并無太大影響，但在考試中就有很大的不同了?？荚囀且粋€爭分奪秒的過程，每一分每一秒都相當重要，尤其在電磁學題目較多時，頻繁更換左右手解題無疑會浪費部分考試時間。而且，左手定則與右手定則非常容易記混淆，若是對二者的使用情況不熟練，再加上考試給人帶來的緊張情緒，學生在考試中可能會更加慌亂，以至于解題出現錯誤。因此，在保證正確性的基礎上尋求快速高效的解題方法顯得尤為必要。

3.運用“阻礙”思想巧解、快解電磁學基礎問題

1834年，俄國物理學家海因里希·楞次在概括了大量實驗事實的基礎上，總結出一條判斷感應電流方向的規律，稱為楞次定律[1]。楞次定律告訴我們“來拒去留”的原理，簡單地說也就是磁場對穿過磁場的物體總會產生“阻礙”作用。現在，我們用“阻礙”思想來考慮閉合線框穿越勻強磁場時閉合線圈進、出磁場時所受安培力的方向。如圖1，磁場垂直于紙面穿入，閉合線圈abcd以速度v向下運動進入磁場，磁場總是會阻礙閉合線圈的運動，由于產生了“阻礙”，就必然會使閉合線圈速度為v、向下的運動受到一個向上的、且起到阻礙作用的力，而這個力即為所求的安培力。

如圖2，磁場垂直于紙面穿出，閉合線圈abcd以速度v向下運動穿出磁場。運用 “阻礙”思想來看，磁場總會阻礙閉合線圈的運動，對其運動產生抑制，因此必然會對閉合線圈向下、速度為v的運動產生一個向上且起到阻礙作用的力，這個力的方向也即所求安培力的方向。再結合磁場方向改變、線圈位置改變的所有情況分析可得，無論磁場是否垂直于紙面，無論磁場穿入或者穿出紙面，也無論閉合線圈進入或者穿出磁場，磁場總是會阻礙其運動。由于產生了“阻礙”，必然會使閉合線圈向下的速度為v的運動產生一個向上的起到阻礙作用的安培力。

二、“阻礙”思想在高中化學平衡中的應用

在整個高中化學課程中，我們始終離不開對各種化學反應的學習。1988年，法國化學家勒夏特列發現的勒夏特列原理定性地預測了化學平衡點的原理[2]。該原理的具體內容為：如果改變可逆反應的條件（如濃度、壓強、溫度等），化學平衡就會被破壞，并向減弱這種改變的方向移動。也就是說，在平衡體系中，如果改變壓強、濃度、溫度等條件，平衡將向阻礙這種變化的方向移動。對它的理解主要在于“阻礙”。

以簡單化學平衡為例：在某恒容容器中進行反應N2 + 3H2 2NH3，經過一段時間，反應達到平衡狀態，假定平衡時NH3有0.05mol，現向容器中充入0.05molNH3，判斷平衡移動的方向及重新達到化學平衡后NH3的物質的量。

在例題中，可逆反應已經達到了化學平衡，此時再新加入NH3，平衡將會阻礙NH3的增加，也就是說新的化學平衡將會向左移動。但同時，平衡只會“阻礙”氨氣的增加，并不會扭轉氨氣增加的事實。最終氨氣的物質的量不會達到0.10mol，但也不會低于0.05mol。

三、“阻礙”思想的進一步拓展

“阻礙”的思想不僅體現在電磁學、化學平衡中，還廣泛地存在于各個學科專業。以高等教育《自動控制運原理》中的二階系統的單位階躍響應為例[3]。

閉環控制系統存在反饋作用，使得階躍響應的控制過程出現震蕩，并使得震蕩的振幅隨著時間不斷衰減，使階躍響應曲線不斷趨近終值，最終使系統達到穩定狀態。簡單而言，二階系統單位階躍響應曲線的變化過程就是一個不斷產生“阻礙”的過程。當階躍曲線的值到達第一個峰值附近時，系統將會“阻礙”其進一步變化，上升曲線的斜率變小，最終成為下降曲線。當階躍曲線到達第二個峰值附近時，系統將會“阻礙”其的進一步變化，斜率逐漸變大，最終成為上升曲線。不斷產生的“阻礙”使得階躍曲線的振幅逐漸減小，最終無限趨近終值。

由此看來，“阻礙”的思想無論是在高中學習過程中，還是在大學的學習過程中都存在著一定的通用性，只有深入研究每一個問題，善于總結不同方法的共同點，才能讓我們的學習過程事半功倍。

參考文獻：

[1]陳為友.著名物理學家和他的一個重大發現[M].濟南：山東科學技術出版社，1998：114-116.

[2]尚仰震.物理化學[M].北京：高等教育出版社，1959：138-139.

[3]盧京潮.自動控制原理[M].北京：清華大學出版社，2013：58-72.endprint