“阻礙”思想在高中物理化學(xué)解題中的應(yīng)用

張曦+徐孝裕

摘 要：高中作為物理化學(xué)知識(shí)啟蒙的重要階段，楞次定律、化學(xué)平衡等物理化學(xué)理論是其重要組成部分之一。通過對(duì)楞次定律、化學(xué)平衡等物理化學(xué)理論共同點(diǎn)的發(fā)散思考，可以總結(jié)出具有一定程度的普適性的物理、化學(xué)試題的巧解方法——“阻礙”的思想。同時(shí)，“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(fā)學(xué)生進(jìn)行各學(xué)科知識(shí)的深入思考，有助于學(xué)生培養(yǎng)自我探索、分析總結(jié)、發(fā)散思維的優(yōu)良習(xí)慣。

關(guān)鍵詞：“阻礙”思想；高中物理化學(xué)；解題

中圖分類號(hào)：G632.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

我們常常會(huì)遇到這樣的現(xiàn)象：大風(fēng)天里，迎風(fēng)走路會(huì)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(shí)，秒針往往停在 “9”點(diǎn)的位置……對(duì)日?，F(xiàn)象分析可知：迎風(fēng)走路覺得艱難是因?yàn)轱L(fēng)給人施加了阻力，對(duì)走路的行為產(chǎn)生了“阻礙”；在水中行走比陸地上更辛苦是因?yàn)樗淖枇Ρ瓤諝獯?，給人的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了“阻礙”；秒針往往停在“9”點(diǎn)的位置是由于在“9”點(diǎn)位置處重力矩的阻礙作用最大，對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生了“阻礙”……由此看來，“阻礙”就是指對(duì)原有的運(yùn)動(dòng)或者變化趨勢起抑制作用的一種現(xiàn)象，它體現(xiàn)在我們生活的方方面面。同時(shí)，我們可以將“阻礙”的思想靈活地發(fā)散運(yùn)用到物理、化學(xué)等學(xué)科的學(xué)習(xí)中。

一、“阻礙”思想在高中物理電磁學(xué)中的應(yīng)用

電磁學(xué)作為現(xiàn)代物理學(xué)的一個(gè)重要分支，在高中物理教育階段中毫無疑問的是核心內(nèi)容之一。該知識(shí)點(diǎn)既是學(xué)生解題的難點(diǎn)，也是考試的重點(diǎn)。在解答電磁學(xué)習(xí)題時(shí)，學(xué)生經(jīng)常會(huì)遇到很多的困難，如若需要解決電磁學(xué)中的問題，往往最為基礎(chǔ)的判斷就是在相應(yīng)的磁場中是否產(chǎn)生感應(yīng)電流、安培力，并判斷安培力的方向。

1.傳統(tǒng)電磁學(xué)解法示例

如圖1、圖2所示，勻強(qiáng)電磁場垂直于紙面穿入或穿出，根據(jù)閉合線圈的運(yùn)動(dòng)方向判斷線圈內(nèi)感應(yīng)電流及安培力的方向。

如圖1，按課堂教學(xué)方法來看，勻強(qiáng)磁場垂直于紙面穿入，閉合線圈abcd以速度v向下進(jìn)入磁場，此時(shí)分析閉合線圈穿越勻強(qiáng)磁場時(shí)安培力的方向，關(guān)鍵是分析線框進(jìn)、出磁場時(shí)閉合線圈通過的磁場的變化。步驟一：閉合線圈進(jìn)入磁場時(shí)，磁通量的變化使得閉合線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。根據(jù)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(yùn)動(dòng)方向，四指方向?yàn)楦袘?yīng)電流的方向。則閉合線圈abcd中感應(yīng)電流的方向?yàn)閍→b；步驟二：根據(jù)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?yàn)榘才嗔Φ姆较?。因此可分析得到，閉合線圈ab邊安培力的方向?yàn)橄蛏稀?/p>

如圖2，勻強(qiáng)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(jù)右手定則判斷出閉合線圈abcd中產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向?yàn)閏→d；然后，根據(jù)左手定則分析得到閉合線圈cd邊的安培力方向?yàn)橄蛏稀?/p>

將上述情形拓展，當(dāng)勻強(qiáng)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(jìn)入）磁場時(shí)，閉合線圈cd（ab）邊的安培力的方向也為向上。

2.傳統(tǒng)電磁學(xué)解題方式的缺陷

由圖1、圖2可以看出，運(yùn)用一般方法求安培力方向需左右手并用。在日常做題時(shí)，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€(gè)爭分奪秒的過程，每一分每一秒都相當(dāng)重要，尤其在電磁學(xué)題目較多時(shí)，頻繁更換左右手解題無疑會(huì)浪費(fèi)部分考試時(shí)間。而且，左手定則與右手定則非常容易記混淆，若是對(duì)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(xué)生在考試中可能會(huì)更加慌亂，以至于解題出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此，在保證正確性的基礎(chǔ)上尋求快速高效的解題方法顯得尤為必要。

3.運(yùn)用“阻礙”思想巧解、快解電磁學(xué)基礎(chǔ)問題

1834年，俄國物理學(xué)家海因里?！だ愦卧诟爬舜罅繉?shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出一條判斷感應(yīng)電流方向的規(guī)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(duì)穿過磁場的物體總會(huì)產(chǎn)生“阻礙”作用?，F(xiàn)在，我們用“阻礙”思想來考慮閉合線框穿越勻強(qiáng)磁場時(shí)閉合線圈進(jìn)、出磁場時(shí)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(yùn)動(dòng)進(jìn)入磁場，磁場總是會(huì)阻礙閉合線圈的運(yùn)動(dòng)，由于產(chǎn)生了“阻礙”，就必然會(huì)使閉合線圈速度為v、向下的運(yùn)動(dòng)受到一個(gè)向上的、且起到阻礙作用的力，而這個(gè)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(yùn)動(dòng)穿出磁場。運(yùn)用 “阻礙”思想來看，磁場總會(huì)阻礙閉合線圈的運(yùn)動(dòng)，對(duì)其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生抑制，因此必然會(huì)對(duì)閉合線圈向下、速度為v的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)向上且起到阻礙作用的力，這個(gè)力的方向也即所求安培力的方向。再結(jié)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(jìn)入或者穿出磁場，磁場總是會(huì)阻礙其運(yùn)動(dòng)。由于產(chǎn)生了“阻礙”，必然會(huì)使閉合線圈向下的速度為v的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)向上的起到阻礙作用的安培力。

二、“阻礙”思想在高中化學(xué)平衡中的應(yīng)用

在整個(gè)高中化學(xué)課程中，我們始終離不開對(duì)各種化學(xué)反應(yīng)的學(xué)習(xí)。1988年，法國化學(xué)家勒夏特列發(fā)現(xiàn)的勒夏特列原理定性地預(yù)測了化學(xué)平衡點(diǎn)的原理[2]。該原理的具體內(nèi)容為：如果改變可逆反應(yīng)的條件（如濃度、壓強(qiáng)、溫度等），化學(xué)平衡就會(huì)被破壞，并向減弱這種改變的方向移動(dòng)。也就是說，在平衡體系中，如果改變壓強(qiáng)、濃度、溫度等條件，平衡將向阻礙這種變化的方向移動(dòng)。對(duì)它的理解主要在于“阻礙”。

以簡單化學(xué)平衡為例：在某恒容容器中進(jìn)行反應(yīng)N2 + 3H2 2NH3，經(jīng)過一段時(shí)間，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，假定平衡時(shí)NH3有0.05mol，現(xiàn)向容器中充入0.05molNH3，判斷平衡移動(dòng)的方向及重新達(dá)到化學(xué)平衡后NH3的物質(zhì)的量。

在例題中，可逆反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到了化學(xué)平衡，此時(shí)再新加入NH3，平衡將會(huì)阻礙NH3的增加，也就是說新的化學(xué)平衡將會(huì)向左移動(dòng)。但同時(shí)，平衡只會(huì)“阻礙”氨氣的增加，并不會(huì)扭轉(zhuǎn)氨氣增加的事實(shí)。最終氨氣的物質(zhì)的量不會(huì)達(dá)到0.10mol，但也不會(huì)低于0.05mol。

三、“阻礙”思想的進(jìn)一步拓展

“阻礙”的思想不僅體現(xiàn)在電磁學(xué)、化學(xué)平衡中，還廣泛地存在于各個(gè)學(xué)科專業(yè)。以高等教育《自動(dòng)控制運(yùn)原理》中的二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)為例[3]。

閉環(huán)控制系統(tǒng)存在反饋?zhàn)饔?，使得階躍響應(yīng)的控制過程出現(xiàn)震蕩，并使得震蕩的振幅隨著時(shí)間不斷衰減，使階躍響應(yīng)曲線不斷趨近終值，最終使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。簡單而言，二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線的變化過程就是一個(gè)不斷產(chǎn)生“阻礙”的過程。當(dāng)階躍曲線的值到達(dá)第一個(gè)峰值附近時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)“阻礙”其進(jìn)一步變化，上升曲線的斜率變小，最終成為下降曲線。當(dāng)階躍曲線到達(dá)第二個(gè)峰值附近時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)“阻礙”其的進(jìn)一步變化，斜率逐漸變大，最終成為上升曲線。不斷產(chǎn)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(xué)習(xí)過程中，還是在大學(xué)的學(xué)習(xí)過程中都存在著一定的通用性，只有深入研究每一個(gè)問題，善于總結(jié)不同方法的共同點(diǎn)，才能讓我們的學(xué)習(xí)過程事半功倍。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳為友.著名物理學(xué)家和他的一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1998：114-116.

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

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