在中学物理解题教学中培养学生思维能力的实践研究

在中学物理解题教学中培养学生思维能力的实践研究

缪玉霞

甘肃省兰州市第二十二中学730050

摘要：中学物理教学中，思维能力的培养有赖于对物理问题的解决，而中学阶段的物理问题一般表现为如何破解习题，如何高效地解决习题。而物理解题方法的掌控与应用，往往会取得事半功倍、举一反三的作用。在中学物理中常用的解题方法有很多，比如控制变量法、等效法、图象法、坐标转化法、极限法、相似三角形法等等，但有时有些特殊的情况常常需要特殊的方法和思想才能得解。而这些特殊的思维方法往往又能激发更高层次的思维形式。

关键词：物理过程中能量的分析自抑分析特殊条件

解题教学不仅是帮助学生理解、掌握和巩固所学知识的手段，而且是培养学生思维能力的重要途径。本文以中学物理解题教学为切入点，以物理问题的特殊思维方法为手段，阐述中学物理解题教学中培养学生思维能力的一些做法。

一、教学要注重物理过程中能量的分析

大多数物理题都涉及到能量的转化和转移过程，若能紧扣功能关系转化过程，往往可使较复杂的问题迎刃而解。

1.系统的机械能守恒。在系统的机械能守恒中，如果系统外力对系统不做功，则系统机械能守恒。若有外力做正功，机械能增加，反之，机械能减小。

示例1（图示1）表示天花板上悬挂一静止的铁链，现给铁链一竖直向下的力F，缓慢向下拉铁链，如图2所示，试问铁链的重力势能如何变化。

图1图2

过程分析：由铁链的状态可看出，铁链的部分上升，部分下降，所以无法直接从重心的高度变化来判断重力势能如何变化。因此，利用能量分析法，力F对铁链做正功，所以铁链的能量增加，因是缓慢向下拉铁链，所以动能不变，由此可知，铁链的重力势能增加。

示例2（图3），质量均为m的物体A、B中间用一轻弹簧连接，放在光滑的水平面上。现使B物靠在墙上，用力推物体A，压缩弹簧，弹簧压缩到最短时的弹性势能为E0，现突然撤去外力，A、B开始运动，当A、B间的距离最大时，弹簧的弹性势能为E。试比较E0和E的大小。

过程分析：当A、B的速度相等时，A、B间的距离最大。此时系统的能量有两种形式：弹性势能和动能，而初始状态时，系统的能量只有弹性势能。因地面光滑，没有外力对系统做功，所以机械能守恒。由机械能守恒，知E0=E+EK（EK为弹簧最长时的动能）。显然，E0>E。

2.带电体在电场中的电势能。带电体在电场中具有电势能E，若电场力不做功，则电势能不变，若电场力做功，则电荷具有的电势能变化。

示例3（图4）金属导体A处于孤立的正点电荷的电场中，由于静电感应，A带负电。现将A略微向正点电荷移动，则A导体在电场中具有的电势能如何变化？

过程分析：若用E=qφ来定量计算金属导体所具有的电势能的变化，无法得解。因为金属导体上的感应电荷量q在移动过程中减小，而导体所处位置处的电势φ却在升高，故不能确定qφ的乘积如何变化。因此，利用能量分析法将金属导体略微移向正点电荷的过程中，点电荷电场给金属导体施加指向正点电荷方向的电场力，因为力与位移方向相同，故电场力对金属导体做正功。根据电场力做功的特点知，导体的电势能减小。

3.能的总量保持不变。在物体运动的过程中，如果摩擦力、空气阻力或非静电力做功，则有其他形式的能转化为热能，但能的总量保持不变。

示例4（图5），平面上有一辆装有沙子的小车，以2v的速度在平面上匀速运动，沙与车的总质量为2m。在车正上方高为h处将一质量为m的小物以速度v水平抛出，小物落入沙中，并和小车一起运动。求物体落入沙中后，沙对小物做的功。

过程分析：沙对小物做功若用W=FS直接计算，无法得解。因为力首先为一变力，且力的大小和位移的大小均无法知道。因此，利用能量分析法将车、沙、小物系统作为研究对象，系统能量变化(机械能减小，损失的机械能转化为热能)即为沙的阻力对小物所做的功。设小物与车共同运动时的速度为V`，以车的表面为重力势能的零点。由能量守恒得：·2m·（2v）2+·mv2+mgh=（2m+m）v`2+Q①；Q=W②。系统水平方向受合外力为零，所以水平方向动量守恒。由动量守恒定律得：2m·2v+mv=（m+2m）V`③。联立三式，解得W=mv2+mgh。

示例5（图6），在与水平面成α角的矩形框架范围内，有垂直于框架的匀强磁场，磁感应强度为B，框架ab、cd电阻均为R。有一质量为m、电阻2R的金属棒MN，无摩擦地冲上框架，上升最大高度为h，在此过程中ab部分的焦耳热为Q。求运动过程中的最大热功率？

过程分析：MN沿斜面向上运动产生感应电动势E，ab、cd相当于外电阻并联，且ab、cd中电流相等，MN的电流为ab中电流的2倍。当ab部分的焦耳热为Q时，cd部分的焦耳热也为Q。因MN的电阻为2R，所以消耗的焦耳热为8Q。设MN的初速度为v0，则Mv02=mgh+10Q①。MN在上滑的过程中，产生的最大感应电动势为E，E=BLv②。最大功率为P，P=。

利用能量分析法解决物理问题的主线有两条，即从力的角度和从能量的角度。从能量角度分析问题，要坚信“能量守恒定律”，并时刻渗透“如果有外力对物体系做正功，则物体系的能量增加,如果有外力对物体系做负功，则物体系的能量减少”的思想。

二、教学要注重自抑过程的发现

1.电磁学中的自抑现象。在中学物理中，楞次定律是典型的利用自抑分析法来求解物理问题的物理规律，定律内容的表述如下：感应电流具有这样的方向，就是感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。或可理解为：感应电流的效果总是要反抗（或阻碍）产生感应电流的原因。

示例6（图7），光滑固定导轨M、N水平放置，两根导体棒P、Q平行放于导轨上，形成一闭合回路，当一条形磁铁从高处下落接近回路时，则P、Q将互相靠拢，还是互相远离？磁铁的加速度仍为g，还是磁铁的加速度小于g？

说明：感应电流的效果，总是要反抗产生感应电流的原因。这便是自抑分析的思想。既有下列两方法。方法一：设磁铁下端为N极，图示，根据楞次定律可判断出P、Q中感应电流方向，再结合左手定则可判断P、Q将相互靠拢。由于回路所受安培力的合力方向向下，由牛顿第三定律，磁铁将受到向上的反作用力，从而加速度小于g，当S极为下端时，可得同样的结果。方法二：根据楞次定律，感应电流的效果，总是要反抗产生感应电流的原因。本题的“原因”是回路中磁通量的增加，归根结底是磁铁靠近回路。“效果”便是阻碍磁通量的增加和磁铁的靠近，必须给磁铁施加一个向上的力。所以P、Q将互相靠近，磁铁的加速度小于g。

2.形成电场时的自抑现象。

示例7（图8），相距为d=10cm，水平放置的平行金属板a、b，其电容为C=2uF，开始时两板均不带电，a板接地且中央有一个小孔。现将带电量q=2.0×10-6C，质量m=2×10-3Kg的带电油滴一滴一滴地由小孔正上方h=10cm高处无初速度地滴下，竖直落向B板，并把电量全部传给b板。求：第几滴油滴在板间匀速运动？

说明：例8中的电场是由于电荷落到板上形成的，反过来又阻碍电荷继续落向b板。这正是自抑分析法的思想。即：当油滴落到b板，将电荷全部传给b板后，由于感应，a板将出现等量异种电荷。因而在板间形成逐渐加强的电场，显然，该电场对带电油滴继续落向b板起阻碍作用，而油滴在一段时间内可继续落到b板上，说明在本题中要考虑油滴受到的重力。带电油滴进入电场后，受重力和电场力作用，最初，由于两板带电量很小，板间电场较弱，因而油滴加速运动到b板，随着两板带电量的增大，板间场强增大，带电油滴所受电场力F=qE亦增大，当电场力与重力相等时，油滴在板间匀速运动。设有n滴油滴落到b板后，第n+1滴油滴进入电场后恰做匀速运动，由以上分析，此时qE=mg①，其中E=U/d=Q/Cd=nq/Cd②。联立①、②得n=mgCd/q2，代入数据有n=1000（滴），即第1001滴油滴将在板间匀速运动。

3.气体、液体及固体扩散中的自抑现象。

示例8（图9），一个中间有隔板的密闭容器，隔板可人为抽动，隔板的左边容器中盛有氧气，右边盛有氢气。现将隔板抽出，试分析氢气和氧气的分布情况。

由于气体分子在做大量的无规则运动，且分子之间有较大的间隙，所以氢气分子与氧气分子以较快的速度开始扩散运动，使得氢气中有氧气分子，氧气中有氢气分子。但随着分子的互相渗透，扩散的结果开始阻碍扩散的过程，导致扩散的速度逐渐减慢，既分子互相进入对方的速度逐渐减小，且总有一个时刻扩散现象结束。

4.生物学中亦体现自抑分析。示例9，植物细胞在形成液泡之后主要靠渗透作用吸水。渗透作用发生的两个条件是半透膜和半透膜两侧溶液的浓度差。一个成熟的植物细胞就是一个活的渗透系统。现有某人想吃白糖拌西红柿，他在已切好的西红柿上洒上些许白糖，稍后盘中产生西红柿汁。这是一例生活中细胞失水的例子。即刚开始外界溶液浓度大，半透膜两侧存在浓度差，细胞开始失水。随着失水过程的进行，外界浓度在减小，半透膜两侧浓度差也在减小，失水速度减小。当两边浓度相等时，细胞失水过程结束。于是，我们看到细胞失水是半透膜两侧的浓度差而引起的，反过来半透膜两侧浓度差又阻碍细胞的进一步失水。这里也体现了自抑的思想。

自抑分析法无疑在理综中有自己独到之处，若能知道、理解、掌握这一别具一格的解题方法，不仅会提高分析问题、解决问题的能力。更可贵的是能使我们实现学科间的综合，开拓我们的视野，使我们能够从更高的层次看问题。

三、教学要注重特殊条件的检验

所谓特殊条件检验法，就是在具体解题时通过观察和分析，根据题中的物理情景假设出特殊的物理条件，对题中所给结论和条件进行检验，从而达到解决问题的目的。此种方法对解答选择题有独到之处，举例以飧读者。

示例10（图10），质量分别为M和m的两物体之间用轻绳相连，在力F作用下，竖直向上加速运动，则两物体之间绳的张力T的表达式是什么？

常规解法：将M和m作为研究对象，采用整体法，进行受力分析。根据牛顿第二定律，得F-（M+m）g=（M+m）a①，隔离M，对M进行受力分析，则得：T-Mg=Ma②。联立①、②得：T=·F。

特殊条件解题法：若令M>m，则可认为m不存在，那么F就为直接作用在M上的力，即T=F，将M>m代入四个选项，得：T=·F。

在上述题例中，通过两种方法的比较，特殊检验法的优势一目了然。如果能较好地掌握特殊条件检验法并能具体应用在解题中，不但节约了宝贵的时间，更重要的是能培养学生多元化的思维方式、创造性的思维方式，激活学生的思维神经，激发学习物理的积极性。

总之，中学物理解题教学是物理教学的重要组成部分，它可以帮助学生深入理解和掌握物理学的基本概念和规律，使他们熟悉思考、处理物理问题的某些思想方法。特别是通过教师讲解利用特殊思维和方法解决的物理问题，不仅可以巩固和加深学生对物理知识的理解，培养学生应用物理知识、解决实际问题的能力，更有利于培养学生的思维能力和创新能力。因此，提高物理解题教学的效率具有重大意义，作为物理教师只有打好基础教学、提炼物理方法，才能不断提高学生解决物理实际问题的能力，发展学生的思维，培养学生的物理素养。