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刊    号:ISSN1672--3651
          CN43--1678/G4
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物理思维通用“公式”--作者:黄伦谋

物理思维通用“公式”--作者:黄伦谋
广西钦州市第一中学  535000
摘要: 一种通用的适合物理的教学和解题的思维方法———对象、过程(或状态)、规律、列式。此思维可用于力学、电学、热学、光学、原子物理学的学习和研究;此思维用于解题,易于抓住题目中有关研究对象、过程的关键词句,联想适用规律,快速理顺解题思路;此思维用于学生学习新知识,有利于明确对象、集中注意力,区分不同对象、不同过程有相应的规律和公式,避免张冠李戴、东拼西凑;此思维用于教师教学,能使教师准确表达物理学观点,思路清晰,简明易懂,让学生听得明白、想得有序、准确领悟。
关键词:思维  联想  对象  过程  状态  规律  列式  关系式
 
教辅书介绍的思路、方法繁多,令学生无所适从,往往混为一谈,张冠李戴,乱套方法。能有一种通用的适合物理的教学和解题的思维方法吗?一定有,总结多年的教学体会可以归纳为:对象、过程(或状态)、规律、列式,八个字,称之为:物理思维通用“公式”。具体些就是:选定或明确研究对象和过程,找准物理规律并列式。
对象是指题中研究的单个物体或多个物体(包括气体、液体、分子、光子、原子)组成的系统; 过程是指研究对象伴随一段时间或一段位移发生的物理变化; 状态是指研究对象在某一时刻或某一位置的物理状态(如某瞬时、某位置、某结构、气体状态等);规律是指物理量的定义式、定理、定律、推论、重要结论等物理知识;列式是指根据规律写出相关物理量的关系式(用物理量字母表达)。
每一物理问题都有研究什么(对象)?处于什么过程(或状态)中?遵守什么规律?应写出相应的物理量关系式(列式)?一个简单的例子(方括号【】内是对题目的分析或阐述,边读题边解读):
例1、一个质量为m的物体【对象】在水平恒力F作用下由静止开始沿水平桌面作匀加速直线运动【过程】,动摩擦因数为μ,求加速度大小和5秒末的速度、10秒内的位移?
明确对象;质量为m的物体(给定质量的物体通常是研究对象,质量是物体的属性,未知质量的物体往往不应选为研究对象);
物理过程:由静止开始的匀加速直线运动;
联想到的规律:匀变速运动的规律(公式),牛顿第二定律;
应列式(关系式):F-μFN=ma   FN=mg   v1=at1    s=
    何为“通用”(应该不万能)?此思维可用于力学、电学、热学、光学、原子物理学的学习和研究;由于思维过程的常用、通用性,故称之为思维公式。下面从考试解题、学生学习、教师教学三方面去阐述物理问题都遵循八字思维通用公式。
一、        此思维用于解题,易于抓住题目中有关研究对象、过程的关键词句,联想适用规律,快速理顺解题思路。

A
B
F
例2、如图所示,质量分别为mA=3kg , mB=1kg 的物块A、B置于足够长的水平面上,在F=13N的水平拉力作用下,一起【可选整体为对象】由静止开始向右作匀加速运动【过程】。已知A、B与水平面间的动摩擦因数分别为μA=0.1 , μB=0.2 , 取g=10m/s2

 
 
 求:(1)物体A、B一起作匀加速运动的加速度多大?【选整体为对象,匀加速过程(分析力和运动),联想到牛顿第二定律(规律),应列式 a= 】
    (2)物块A对物块B的作用力多大?【求B的受力应选B为研究对象,同样是匀加速过程(分析力和运动),联想到牛顿第二定律,应列式 FAB- = 】
    (3) 若物块A、B一起运动的速度v=10m/s 时,撤去水平力F,求此后物块滑行的位移。
【撤去外力后,两物体在滑动摩擦力作用下将作匀减速运动。A、B会不会分离成为选定什么为研究对象的疑点,必须首先作出判断,通常的做法是假设A、B分离,则 aA=-μAg=-1m/s2   aB=-μBg=-2m/s2  由于  , B减速快且在前,故两物块不会分离。从而应选AB整体为对象,以v=10m/s为初速度,匀减速至停止(过程),联想到动力学规律或动能定理,应列式 ; S=       或用动能定理列式  ;如果是  ,A减速快且在后,两物块将分离且相距越来越大,应分别选A、选B为研究对象,过程、规律、列式类似。
以上为力学题的八字思维过程(有先后顺序)。如果是电学题应走通电路(过程),弄懂原理(规律),如果是热学题、光学题、原子物理题,应分析状态变化或传播过程(为了辅助分析,过程还可以是虚拟的),联想相关物理规律列式或作定性分析。

C
R3
R2
C
E   r
K
例3、如图所示电路中, , , , , 当开关K断开时【第一种电路结构(或称为电路状态)为电源、 、 串联,电容C的电压为 两端电压】,电源的功率为2w;当开关K闭合时【第二种电路结构为 、 并联再与 、电源串联,而电容C被短路】,电源的功率为4w。求(1)电源的电动势和内电阻;(2)在开关K断开和闭合的两种情况下,电容器的带电量。

    研究对象分别为电源和电容器,应走通每一种电路结构的电流流向(过程),找出串并联关系(状态),联想到串并联知识、闭合电路欧姆定律、功率公式P=EI和电容的定义式(规律),写出P、E、I、r、 、 、 、C、Q、U等物理量的关系式(列式),联立可求E、r和两种情况下电容器的带电量。本题的八字思维过程重复了两次(每一种电路结构一次)。
   力学实验、电学实验也是类似的思维模式,都要留意研究对象是什么?物理过程怎样?或处于什么物理状态?适用于什么物理知识和规律?应写出相关物理量的关系式(列式)?总之,对象、过程(或状态)、规律、列式归纳了最一般的思维模式、思维次序,做题时应时刻留意这四个方面,将能够快速准确解题。
二、        此思维用于学生学习新知识,有利于明确对象、集中注意力,区分不同对象、不同过程有相应的规律和公式,避免张冠李戴、东拼西凑。
在学习《牛顿第二定律》一节时,课本通过实验定性地从两方面总结得出 F 、m、a的关系式。研究对象是小车(可改变质量),过程是小车从静止开始的匀加速直线运动,联想到已经学过的匀变速直线运动规律(公式),应列式 S= ,可知在相同时间t内的位移 S∝a ;比较两种情况(①相同质量拉力增加一倍②相同拉力质量增加一倍)下的位移和加速度(需要列式作定性分析),最后得到a∝F 和 a 的重要结论(新知识)。
在学习《动量守恒定律》一节时,课本主要运用已经学过的动量定理和牛顿第三定律推导出动量守恒式。研究对象分别为球1、球2,碰撞过程(很短),受到相互作用力分别为F1、F2,作用时间为t,分别应用动量定理和牛顿第三定律列式:       联立这三式可得: (新知识)。
以上阐述了不同的研究对象(球1、球2)应用了同一规律(动量定理、牛顿第三定律)列式推导而得到的动量守恒定律;表达式中有 两个物体质量,在今后应用动量守恒定律时应选取 组成的系统为研究对象。
学习新知识是由已知旧知识、新物理情境,上升为新知识的过程。其中也有一个探究、推导、归纳的过程,从物理角度应明确研究的新对象、过程、用上哪些学过的规律、列式分析推导。使人由已知认识未知的历程顺理成章。
三、        此思维用于教师教学,能使教师准确表达物理学观点,思路清晰,简明易懂,让学生听得明白、想得有序、准确领悟。
例如,老师在讲解加速度概念时,分别选取大人和小孩为研究对象,先研究大人在第一个0.5秒内速度从0增加到1m/s,第二个0.5秒内速度从1m/s增加到2m/s,第三个0.5秒内速度从2m/s增加到3m/s,此后匀速运动。研究的过程为先加速后匀速,请学生找规律:每0.5s速度增加1m/s,从而列式 ;进而引入新概念:加速度,并得到定义式  或  (包括单位也推出来了: m/s2
再研究小孩在第一个0.5秒内速度从0增加到0.3m/s,第二个0.5秒内速度从0.3m/s增加到0.6m/s,第三个0.5秒内速度从0.6m/s增加到0.9m/s,此后匀速。研究的过程为先加速后匀速,同样请学生找规律:每0.5s速度增加0.3m/s,从而列式 ;比较大人和小孩的加速度大小,再请学生找规律(加速度的大小反映了什么客观事实?),从而得出大人加速快,小孩加速慢,加速度的大小表示速度变化的快慢。
比较不同对象,同类过程(先加速后匀速)、找规律、列式(推算),不仅提出了新概念和新物理量,还比较了不同对象结果不同所反映的物理意义。教师讲解较为简明易懂,学生易于接受,抽象概念清晰化。
楞次定律的教学是公认的难点,根据前一节得到的规律是:产生感应电流的条件是穿过闭合电路的磁通量发生变化。进一步研究感应电流的方向也应跟磁通量的变化(增加、减少)有关。研究对象是演示实验中的线圈和电流的方向(从电流表指针摆向可知方向),过程是演示实验中的四个步骤(课本P179中的四幅图)

根据实验现象运用已经学过的安培定则画出四种情况下的磁场方向(原磁场、感应电流的磁场),磁通量是增是减易于判断,请学生找规律(展开热烈的讨论)。①甲图和丙图是磁铁插入(或靠近)绕圈,磁通量增加,我们看到两种磁场的方向是相反的,可以提升认识(得到规律)为:感应电流的磁场阻碍了产生感应电流的原因(磁通量的增加),②乙图和丁图是磁铁从绕圈中拔出(或离开),磁通量减少,我们看到两种磁场的方向总是相同的(不管磁场的N、S极在哪),可以提升认识为:感应电流的磁场阻碍了产生感应电流的原因(磁通量的减少)。

请学生将上面的①②再对比一下,是否可以得到更一般的规律,高度概括为:感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化(楞次定律)。
再请学生找规律,插入(或靠近)绕圈时(甲图和丙图),像是排斥的?拔出绕圈(或离开)时(乙图和丁图),像是吸引的?又可以提升认识:感应电流总要阻碍相对运动。得到了规律性的认识就请学生写出来,这也可以称为列式吧。
经过演示实验的分析(画图),根据已知规律和作图寻找新规律,归纳总结出来(列式),这样的思维过程也包含了对象、过程、规律、列式。教师在讲解或引导学生思考、总结时,只要留意这四个方面,教学过程将是很完整的,教学效果也令人满意。
以上举例阐述了物理问题的解法、学法、教法,统一为八字通用思维“公式”———对象、过程(或状态)、规律、列式。例子很多,不可能一一示例,仅以此文抛砖引玉。
在解题、学生自学、教师教学中有意识地注意这几个方面,可以使学物理变得简单有趣、少走弯路、减少困惑、提高物理成绩。

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