創新思維在物理學中的應用探討

遲寶倩

摘 要：創新引領社會發展，推動科技進步，改變了人們的生活和思維方式。創新的核心為創新思維，而自然科學和工程技術的發展依靠物理學的基本理論支撐。教師可對創新思維中的形象思維、逆向思維和側向思維在物理學學習中的應用進行探討。

關鍵詞：創新思維；物理學；應用探討

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9132（2018）24-0005-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2018.24.001

在當今世界，創新是一個出現頻率非常高的一個詞，我們經常能夠聽到諸如教育創新、技術創新、科技創新、產品創新等等。創新已經滲透到我們的學習、生活等方方面面。學校教育常常被認為是以領悟學術、獲取知識為目的，然而還有比知識更重要的東西，即創新能力。面對全球經濟的快速發展，學校教育在培養學生創新能力中的作用越來越重要。實際上教育的本質并不是要讓學生掌握很多知識和技能，而是要通過不同學科的學習獲取思考問題的方式—思維方式。創新思維是創新的核心，掌握并能靈活運用創新思維是一個人成敗的關鍵。按思維過程和結果分類，思維分為常規思維和創新思維，與常規思維相比，創新思維是指以新穎獨特的方法解決問題的思維過程[1]。物理學是一切自然科學和工程技術的基礎，其中充滿了復雜的數學公式。但是物理學中蘊含的思想內涵，而非公式，才是每一個物理理論的開端。在物理學發展和學習中，創新思維也起著至關重要的作用。本文結合具體實例概述了形象思維、逆向思維和側向思維在物理學中的應用。

一、形象思維在物理學中的應用

形象思維是指以具體的形象或圖像為思維內容的思維形態。牛頓運用形象思維闡述了經典力學中的基本運動規律，揭示了天體運動與地面上物體運動的統一性，構成了經典力學的基礎。美國工程師斯波塞在做雷達起振實驗時，發現口袋里的巧克力熔化了，應用形象思維，他推測是雷達發射時的微波造成的，找到因果關系就聯想到用微波加熱食品，于是發明了微波爐，從而實現人類無明火即可干凈、快速加熱食品。實際上在物理學學習方法中，很多時候形象思維的作用是不可忽略的。物理圖像是我們經常采用的一種行之有效的方法，物理圖像能夠把復雜的問題形象直觀地表示出來，從而簡化問題的討論，這其中運用的便是形象思維。

例如，描述簡諧振動的振動方程為x=Acos（？棕t+？漬），然而這個振動方程比較抽象，在處理某些問題的時候比較復雜，而簡諧振動的旋轉矢量表示法能夠形象直觀地展示簡諧振動的規律[2]。如圖1所示，令旋轉矢量A的大小等于簡諧振動的振幅A，t=0時，矢量A與Ox軸的夾角等于初相？漬，并以角速度？棕逆時針旋轉，任一時刻旋轉矢量與Ox軸的夾角為？棕t+？漬，則當旋轉矢量繞坐標原點旋轉一周時，其末端在Ox軸的投影則表明簡諧振動完成了一個周期的運動。人從一出生就會以形象思維方式考慮問題，它是人的一種本能思維。應用旋轉矢量表示方法我們可以方便、直觀地求解簡諧振動的問題。

光的偏振現象中有這樣一個問題，求光強為I0的自然光依次通過三個偏振片P1、P2和P3組成的偏振片組后透射光的光強，已知P1和P3的偏振化方向相垂直，P1和P2的偏振化方向成30°。通過圖像可以把已知條件清晰地呈現出來，再應該用馬呂斯定律即可求解。實際上在物理學學習中，很多時候都可通過圖像進行描述，如振動曲線、波形圖等等。因此在求解具體問題時要注重形象思維的運用，可以把已知要素通過圖形呈現出來，便于問題的分析求解。

二、逆向思維在物理學中的應用

我們所處的世界由相互對立的事物所構成，因此也暗示我們應該從兩個方面去認識事物。逆向思維即是通過事物的相反面去考慮問題。阿基米德應用逆向思維設計了一個實驗，驗證了國王的金冠是否為純金，并從中發現了物理學中著名的浮力定律。奧斯特發現電能生磁，在此基礎上人們發明了電動機。那么反過來是否成立呢？英國科學家法拉第應用逆向思維設計了磁生電的實驗，即電磁感應實驗，并依據此原理發明了發電機。這些物理學中取得的重要成就都說明了逆向思維的重要性。

在物理學學習中，很多問題的求解也體現了逆向思維的重要性。例如，在質點運動學學習中，有這樣一個問題：如圖2所示，一物體以初速V0沖上一光滑的斜面，斜面傾角為θ，求物體在到達最高點之前一秒內的路程？（假設重力加速度為g，斜面足夠長，初速足夠大）。分析這個過程可以知道物體達最高點之前一秒內的路程即為其到達最高點后下滑第一秒內的路程，因此可將問題轉化為求解物體到達最高點后下滑第一秒內的路程，顯然應用逆向思維簡化了問題的求解。在求解波動方程時，常規問題是已知波形圖和波的傳播方向，求解波動方程，但有時是已知波形圖和其中某位置介質的振動方向，求解波動方程，這個時候應該逆向思維通過該質點的振動方向可以知道波的傳播方向，再求解即可。因而在物理學學習中要注重逆向思維的運用。

三、側向思維在物理學中的應用

側向思維是把自己熟悉的領域與其他領域交叉起來考慮問題的一種思維方式，具有思路活潑多變，善于聯想推導，隨機應變的特點。物理學的基本理論是一切自然科學和工程技術的基礎，將其引入其他領域會有更多的新發明、新發現。近代的三次工業革命極大地加快了人類生產生活的步伐，方便了我們的生活，而這三次工業革命均以物理學理論為基礎。電磁相互作用是四種最基本作用之一，將其與其他技術關聯得到了廣泛的應用。利用磁力克服重力使物體懸浮的技術稱為磁懸浮技術。磁懸浮列車即是人們應用側向思維將磁懸浮技術應用于列車而發明的新型交通工具。與傳統交通工具相比，磁懸浮列車具有速度快、運行安全、平穩舒適、節省能源消耗、無噪聲、環保等優點，將成為未來的主要交通工具。還有各種磁力玩具給小朋友們帶來了快樂，強磁擦玻璃神器方便了我們的日常生活等等。小到日常生活，大到重大的科技發明，物理學的基本理論早已滲透到我們的生活中。

機械振動在彈性介質中的傳播形成機械波，其中振動頻率高于20000赫茲的機械波稱為超聲波。超聲波有頻率高、波長短，能量比一般聲波大很多、不容易發生衍射、穿透力強等特點，所以能夠與其他領域技術相結合，得到廣泛的應用。例如，超聲波清洗機，可達到精密清洗、潔凈度高；超聲波魚探儀可探測深海魚群；超聲波切割機，振動小、精度高；超聲波流量計測量精度高、抗干擾能力強；超聲波診斷是常用的醫學影像技術之一，提供生理或組織結構的數據和形態，從而方便直觀地輔助診斷。在這個信息化時代，如何抓住信息化發展機遇是未來成敗的關鍵，而物理學的學習讓我們具備了將來可以創新的基本素養，因而要重視側向思維的重要性。

四、結語

伴隨著社會的發展，創新逐步上升到意識形態，不懂得創新就只能復制別人的昨天，最終被社會所淘汰。物理學中的基本理論是未來從事科研工作人員和工程技術人員的必備基礎。在物理學學習中，從理論到應用創新思維都起著至關重要的作用，因而要注重創新思維的培養。

參考文獻：

[1] 李劍鋒，張淑卿，趙玉紅著.大學生創新思維與案例分析[M].北京：光明日報出版社，2017.

[2] 吳澤華，陳小鳳.大學物理學[M].北京：高等教育出版社，2011.