培養(yǎng)物理思維方法 提升解決問題能力

貴州 胡道成

物理思想方法是物理學發(fā)展過程中對物理知識、物理方法進一步概括而形成的關于物理學本質(zhì)的深層認識。物理思想方法是物理學的精髓，學生唯有將習得的知識和方法提升至物理思想高度，才能促進自身能力的提高。教育部制定的《中國高考評價體系》把各學科“必備知識、關鍵能力、學科素養(yǎng)、核心價值”四個方面作為考查內(nèi)容的理論支撐與實踐指南，而物理學科核心素養(yǎng)之一是“物理觀念”，“物理觀念”是重要物理思想的結晶。“物理觀念”的培育需要經(jīng)歷物理知識，物理方法，特別是物理思想教育這樣一個循序漸進的提煉過程。物理思想方法主要包括以下內(nèi)容：對稱思想、守恒思想、可逆思想、等效思想、比較思想、轉換思想、假說思想、相干思想、量子化思想和相對性思想。致力于培養(yǎng)學生的物理思想方法是形成物理觀念、提升學生解決問題能力的有效途徑。進入二輪復習階段后，需要教師精心選取一些蘊含著物理思想而又具有“基礎性、綜合性、應用性、創(chuàng)新性”特征的典型例題，通過學生獨立思考的過程，將習得的物理知識和物理方法與物理思想很好地融合，達到真正盤活知識、技能、能力、思想方法的復習效果，這是提升學生解決問題能力的關鍵。

一、利用“對稱思想”，實現(xiàn)簡便解題

物理學中的對稱現(xiàn)象比比皆是，對稱的結構、對稱的作用、對稱的電路、對稱的物和像等。對稱通常表現(xiàn)為研究對象在結構上的對稱性、物理過程在時間和空間上的對稱性、物理量在分布上的對稱性及作用效果的對稱性等。對稱性在高考命題中有較多的滲透和體現(xiàn)，意在考查學生的直覺思維能力和猜想推理能力，有利于教學過程中注重培養(yǎng)學生的學科素養(yǎng)和美學素養(yǎng)。作為一種重要的物理思想方法，相信在今后的高考命題中必將有所體現(xiàn)。

圖1

【例1】(2020年全國卷Ⅱ第20題)如圖1所示，豎直面內(nèi)一絕緣細圓環(huán)的上、下半圓分別均勻分布著等量異種電荷。a、b為圓環(huán)水平直徑上的兩個點，c、d為豎直直徑上的兩個點，它們與圓心的距離均相等。則

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A.a、b兩點的場強相等 B.a、b兩點的電勢相等

C.c、d兩點的場強相等 D.c、d兩點的電勢相等

圖2

【解析】畫出圓環(huán)電場線分布的剖面圖如圖2所示，根據(jù)對稱性可知，圖中的a、b兩點的電場線疏密程度相同，電場強度大小相等，方向都是沿該點的切線豎直向下，即a、b兩點的場強相等，A選項正確；a、b兩點關于圓環(huán)的豎直直徑對稱，所以a、b兩點的電勢相等，B選項正確；c、d兩點關于圓環(huán)的水平直徑對稱，電場線的疏密程度相同，即電場強度大小相等，方向均為豎直向下，故c、d兩點的場強相等，C選項正確；c、d兩點在同一電場線上，而沿著電場線方向電勢降低，所以φc>φd，D選項錯誤。

二、利用“守恒思想”，打開解題思路

守恒思想最早是從物質(zhì)不滅、運動永恒的說法萌芽的，它是物質(zhì)觀念、能量觀念、運動與相互作用觀念的具體體現(xiàn)。守恒是指在事物的發(fā)展變化過程中，某一些量的各個部分在發(fā)生變化，而其總和始終保持不變。守恒是人們在科學研究過程中對自然本質(zhì)的一種認識、一種反映形式。高中物理中的守恒定律有：電荷守恒定律、質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量轉化與守恒定律。守恒思想以及作為其具體體現(xiàn)的守恒定律在高考中是一個重要的考查內(nèi)容。

【例2】(2020年全國卷Ⅲ第15題)甲、乙兩個物塊在光滑水平桌面上沿同一直線運動，甲追上乙，并與乙發(fā)生碰撞，碰撞前后甲、乙的速度隨時間的變化如圖3中實線所示。已知甲的質(zhì)量為1 kg，則碰撞過程兩物塊損失的機械能為

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圖3

A.3 J B.4 J C.5 J D.6 J

三、運用“可逆思想”，使解題柳暗花明

可逆思想是基于物質(zhì)運動在一定條件下具有可逆性，即在時間和空間上，有些物理規(guī)律具有不變的特性，從而可以進行思路轉換。由正向過程轉換到逆向過程，利用逆向思維進行分析，可能會使正向受阻的問題峰回路轉，柳暗花明。常見的有運動的可逆性和光路的可逆性。

圖4

( )

四、利用“等效思想”，優(yōu)化解題途徑

等效思想是指從事物間的等同效果出發(fā)，在解決問題的過程中，對研究對象、過程、結構、功能等進行變換處理的一種思想方法。在等效變換過程中，關鍵在于保持某些特定方面的效果相同，具體問題具體分析，從不同的角度去建立和尋找其中的等效關系，更加清晰地把握問題的實質(zhì)，方便找到解決問題的途徑。常見的有等效電容、等效電阻、等效勁度系數(shù)、等效重力加速度、等效單擺、等效電源、合力與分力、合運動與分運動、交變電流有效值等，熟練地掌握等效的方法并熟練應用，體會物理等效思想的內(nèi)涵至關重要。

圖5

【例4】(2020年全國卷Ⅲ第17題)如圖5所示，懸掛甲物體的細線拴牢在一不可伸長的輕質(zhì)細繩上O點處；繩的一端固定在墻上，另一端通過光滑定滑輪與物體乙相連。甲、乙兩物體質(zhì)量相等。系統(tǒng)平衡時，O點兩側繩與豎直方向的夾角分別為α和β。若α=70°，則β等于

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A.45° B.55° C.60° D.70°

圖6

【解析】設甲、乙兩物體的質(zhì)量均為m，則重力均為mg，以結點O為研究對象進行受力分析，可知此題屬于典型的三力平衡問題，必有“任何兩個力的合力與第三個力等大反向”的特點，以甲、乙兩個物體對結點O的拉力(大小均等于重力mg)為臨邊作平行四邊形，其對角線表示兩拉力等效的合力F合，如圖6所示，根據(jù)幾何關系很容易得出兩個拉力的夾角為110°，于是β=55°，B選項正確。

五、運用“比較思想”，提升模型建構能力

我們認識一切客觀事物都可以通過比較來實現(xiàn)。物理模型是一種理想化的物理形態(tài)，將實際情境中復雜的問題抽象為理想模型，是研究物理問題的基本方法，這個過程就是“模型構建”，需要利用抽象化、理想化、簡化及類比等科學思維方法把研究對象的物理學本質(zhì)特征突顯出來，通過分析、判斷、比較，畫出過程圖等思維過程，才能得出清晰的物理情境，從而建立正確合理的物理模型，把陌生問題通過類比轉化成熟悉的常規(guī)物理模型，然后結合模型尋找解題方法。在高考命題體現(xiàn)“應用性”的背景下，與生活實踐、體育運動和國家科技領域重大成就相關的問題情境成為命題素材的熱點，而解決這類問題的關鍵就是要善于提取物理信息，充分利用比較思想來建立正確的物理模型。

【例5】(2018年浙江選考題)小明在觀察如圖7所示的沙子堆積時，發(fā)現(xiàn)沙子會自然堆積成圓錐體，且不斷堆積的過程中，材料相同的沙子自然堆積成的圓錐體的最大底角都是相同的。小明測出這堆沙子的底部周長為31.4 m，利用物理知識測得沙子之間的動摩擦因數(shù)為0.5，估算出這堆沙的體積最接近

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圖7

A.60 m3B.200 m3C.250 m3D.500 m3

【解析】隨著沙子不斷堆積，達到某一高度后，沙子就會沿著斜面下滑，通過比較可以建構出如圖8所示的標準圓錐體模型，設圓錐高度為h，底面圓半徑為r，最大底角為θ，沙子之間的動摩擦因數(shù)為μ，某粒沙子的質(zhì)量為m。

圖8

六、運用“假說思想”，提升推理論證能力

“一切科學都始于假說”高度概括了假說思想在物理學發(fā)展過程中的重要意義。而假設法是在假說思想指導下以科學事實為基礎，形成的對研究對象、物理過程、物理結論進行合理的假設，然后根據(jù)物理規(guī)律進行分析、討論和計算，得到對假設肯定或否定的結論，使問題得以解決的解題方法。通過這種訓練可以提升學生的推理論證能力。

【例6】(2020年山東模擬卷)如圖9所示，不可伸長的輕質(zhì)細線下方懸掛一可視為質(zhì)點的小球，另一端固定在豎直光滑墻面上的O點。開始時，小球靜止于A點，現(xiàn)給小球一水平向右的初速度，使其恰好能在豎直平面內(nèi)繞O點做圓周運動。垂直于墻面的釘子N位于過O點豎直線的左側，ON與OA的夾角為θ(0<θ<π)，且細線遇到釘子后，小球繞釘子在豎直平面內(nèi)做圓周運動，當小球運動到釘子正下方時，細線剛好被拉斷。已知小球的質(zhì)量為m，細線的長度為L，細線能夠承受的最大拉力為7mg，g為重力加速度大小。

圖9

(1)求小球初速度的大小v0；

(2)求小球繞釘子做圓周運動的半徑r與θ的關系式；

(3)在細線被拉斷后，小球繼續(xù)向前運動，試判斷它能否通過A點。若能，請求出細線被拉斷時θ的值；若不能，請通過計算說明理由。

(2)以N為圓心，設最低點為M，小球在最低點的速度為v，根據(jù)牛頓第二定律，有

小球從A到M的運動過程中，根據(jù)動能定理可知

其中Δh=L-r-(L-r)cosθ

(3)細線被拉斷后，小球將做平拋運動，如圖10所示，假設小球能夠通過A點，則

圖10

水平方向(L-r)sinθ=vt

因為在數(shù)學上cosθ∈[-1，1]，顯然能使小球通過A點的θ角是不存在的，所以，假設不能成立，也就是小球不能通過A點。

總之，物理知識是基礎，方法是手段，思想是深化。物理思想和方法是物理知識在更高層次的抽象和概括，它蘊含在物理知識的發(fā)生、發(fā)展和應用過程中，只能通過引導學生去領會、運用后才能逐漸感悟、掌握。二輪備考復習單靠題海戰(zhàn)術的盲目操練很難取得實效，需要通過物理思想方法的顯化教育來促進學生對知識的掌握、方法的操練、思想的領悟，才能用物理思維啟迪學生的智慧，從而提高思維水平，增強學生對高中物理的深刻理解與靈活運用能力，只有這樣才能真正提高物理解題能力。

本文系2019年貴州教育科學規(guī)劃立項課題“核心素養(yǎng)視域下高中學生物理能力培養(yǎng)的實踐研究”(編號：2019B025)的階段性成果。