李博

[摘? ?要]簡要回顧物理學(xué)的發(fā)展歷程，對比天津2017級高一新生的選課走班情況，提出新課改下的一種學(xué)習(xí)方法——將邏輯化、抽象化的物理思維滲透到理想化的物理模型中，展現(xiàn)清晰的物理情境，運(yùn)用靈活多變的物理方法幫助學(xué)生有效掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)規(guī)律，打造開啟物理知識(shí)寶庫的金鑰匙。

[關(guān)鍵詞]新課改; 物理模型; 物理思維; 分析方法

[中圖分類號(hào)]? ? G633.7? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2019）20-0046-02

一、引言

近代物理學(xué)建立之初，牛頓總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了牛頓運(yùn)動(dòng)定律和萬有引力定律，從而揭示了天上地下物體的普遍運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而引發(fā)了第一次工業(yè)革命。隨著物理學(xué)理論的逐步成熟，麥克斯韋經(jīng)過深入研究，最終把電、磁、光統(tǒng)一起來，建立了經(jīng)典電磁理論，預(yù)言了電磁波的存在，直接引發(fā)了電氣及無線電技術(shù)領(lǐng)域的革命。20世紀(jì)初，由愛因斯坦等科學(xué)家創(chuàng)立的相對論與量子力學(xué)體系將人類帶入信息時(shí)代，極大地豐富了人類文明。

隨著科技的迅猛發(fā)展，高中物理學(xué)習(xí)顯得尤為重要。天津市2017年開始實(shí)施高中新課改以來，對物理教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了同步改革。但從首屆高一選科情況來看，許多學(xué)生對物理學(xué)習(xí)的積極性并沒有明顯提高，教師都力求通過各種途徑激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生掌握科學(xué)的物理學(xué)習(xí)方法。本文圍繞物理模型、物理思維、物理分析方法在高中物理學(xué)習(xí)中的應(yīng)用展開討論。

二、構(gòu)建物理模型，提煉物理本質(zhì)

在中學(xué)物理學(xué)習(xí)中，常常會(huì)涉及一些非理想化的情況，如飛機(jī)，在我們實(shí)際生活中，其大小和形狀是不可以忽略的，如果以傳統(tǒng)的思維方式分析飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)問題，勢必會(huì)增加問題的復(fù)雜性，這就需要借助一定的物理方法，保留研究對象的主要特征“質(zhì)量”，而忽略那些大小、形狀等次要因素，這樣飛機(jī)就被簡化成了質(zhì)點(diǎn)模型[1];而在研究單擺、彈簧振子等物理問題時(shí)，需要考慮相關(guān)環(huán)境對研究對象所施加的物理?xiàng)l件，不再考慮“空氣和摩擦阻力”等次要因素，只將其視為“物體只受重力和繩子拉力”的物理模型，從而大大降低了問題的復(fù)雜程度;嚴(yán)格地說，生活中只受重力或完全不受重力的物體是不存在的，但在處理中學(xué)物理問題時(shí)為了分析和計(jì)算簡便，常常在研究物體運(yùn)動(dòng)的過程中進(jìn)行理想化處理，這就演繹出了自由落體運(yùn)動(dòng)、帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)等一系列理想化的物理模型。

三、滲透物理思維，創(chuàng)設(shè)物理情境

物理學(xué)家勞厄認(rèn)為，學(xué)習(xí)物理課程最重要的不是獲得知識(shí)，而是發(fā)展思維能力。

以極限思想為例，伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)中，將小球由左側(cè)某一高度無初速釋放，若不計(jì)斜面摩擦，小球?qū)⑸仙接覀?cè)斜面同一高度處，如果不斷減小右側(cè)斜面傾角，小球上升到同一高度所經(jīng)歷的距離不斷增大，繼續(xù)減小這個(gè)傾角直至為0，此時(shí)小球再也無法到達(dá)原來高度，它將以這一恒定速度沿著水平面一直運(yùn)動(dòng)下去。基于極限思想發(fā)展出的這一結(jié)論，為學(xué)生理解牛頓第一定律及慣性的物理本質(zhì)，建立了有效的思維通道。

極限思想的核心是“極限”，即單個(gè)時(shí)間、空間長度無限逼近（但不等于）某一數(shù)值。將勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度—時(shí)間圖像無限劃分，當(dāng)每一條形區(qū)域的時(shí)間很短時(shí)，這一極短的運(yùn)動(dòng)過程便可簡化為勻速直線運(yùn)動(dòng)，再通過計(jì)算圖像面積得出位移隨時(shí)間變化的規(guī)律。將以上思想運(yùn)用于求彈簧彈力做功，很輕松地得到了彈簧彈力做的功與其形變量之間的函數(shù)關(guān)系。除經(jīng)典力學(xué)領(lǐng)域外，這種極限思想在求圓環(huán)狀帶電平面產(chǎn)生的靜電場、電路中的動(dòng)態(tài)過程等電學(xué)問題時(shí)，均有廣泛的運(yùn)用。

德國物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者勞厄曾說：“物理學(xué)的任務(wù)是發(fā)現(xiàn)普遍的自然規(guī)律。因?yàn)檫@樣的規(guī)律的形式之一表現(xiàn)為某種物理量的不變性，所以對于守恒量的尋求不僅是合理的，而且也是極為重要的研究方向?！笔睾懔克枷朐诮鉀Q中學(xué)物理問題的過程中發(fā)揮著重要的作用，例如能量和動(dòng)量的概念之所以重要正是因?yàn)樗鼈兪鞘睾愕模瑥娜我鉅顟B(tài)中如何找到特殊的幾個(gè)位置，再從特殊到一般體會(huì)守恒的思想就顯得至關(guān)重要了。如計(jì)算系統(tǒng)機(jī)械能守恒時(shí)，任一時(shí)刻的動(dòng)能（勢能），只需知道某一時(shí)刻系統(tǒng)的機(jī)械能總量及其所具有的勢能（動(dòng)能），而無須關(guān)心整個(gè)過程中各種形式的能量如何變化;如果將一運(yùn)動(dòng)的帶電小球置于電磁場中，它的機(jī)械能可能發(fā)生變化，但總能量保持不變，運(yùn)用能量守恒分析帶電體在復(fù)合場中的物理過程，往往會(huì)事半功倍?？倓?dòng)量不變，指物體在發(fā)生相互作用的過程中，任何狀態(tài)下系統(tǒng)的總動(dòng)量都相等（大小相等方向相同）?！叭我鉅顟B(tài)”下系統(tǒng)總動(dòng)量都相等體現(xiàn)了守恒的核心要義，將動(dòng)量守恒和能量守恒結(jié)合使用，更為復(fù)雜的碰撞、反沖、爆炸類問題將迎刃而解。在實(shí)際應(yīng)用中，“任意狀態(tài)”是由一些“特殊狀態(tài)”組成的，這是解決問題的突破點(diǎn);進(jìn)而體會(huì)任意狀態(tài)下總動(dòng)量或總能量保持不變，這才是守恒的核心內(nèi)涵。

四、掌握物理分析方法，提升物理綜合素質(zhì)

清晰的物理概念和較強(qiáng)的思維能力有助于學(xué)生打開通往物理知識(shí)寶庫之門，但物理分析方法才是開啟這扇門的金鑰匙，這類方法主要表現(xiàn)為代數(shù)和幾何兩種形式，本文著重對最基礎(chǔ)的微積分和函數(shù)圖像法進(jìn)行分析。

微積分法：代數(shù)法是將隱含的物理過程顯化的最佳途徑，其優(yōu)點(diǎn)是將物理問題簡化為數(shù)學(xué)語言，其中微積分在這一環(huán)節(jié)中起到了至關(guān)重要的作用。如果借助代數(shù)工具推導(dǎo)勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移—時(shí)間函數(shù)關(guān)系式，微積分無疑是便捷的途徑。取某一微元作為研究對象，先表示出這一微小時(shí)間內(nèi)物體發(fā)生的位移，再將所有微元累加求和，通過積分最終導(dǎo)出相應(yīng)條件下的位移時(shí)間關(guān)系式。同樣，可借助微積分解決非勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移、變力做功、交變電流有效值的計(jì)算、電容器充放電過程中電荷量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律等問題。

函數(shù)圖像法：幾何法為解決歷史上重大物理問題做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，而以函數(shù)圖像法最具代表性，其直觀、形象的特點(diǎn)備受學(xué)生的推崇。在勻變速直線運(yùn)動(dòng)的v-t圖像中，基于極限思想將每一極短時(shí)間內(nèi)的位移用條形區(qū)域的面積表示，當(dāng)[?t]→0 時(shí)，鋸齒狀區(qū)域消失，將全部區(qū)域合并，進(jìn)而通過計(jì)算梯形區(qū)域的面積得到了相應(yīng)過程的位移時(shí)間關(guān)系。對未知規(guī)律的變加速直線運(yùn)動(dòng)，通過分析其v-t圖像的斜率變化，得出加速度的變化規(guī)律，再比較速度和加速度的方向關(guān)系就可以判斷物體在相應(yīng)時(shí)段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算圖像與坐標(biāo)軸圍成的面積便可快速得到位移大小。相較公式法，函數(shù)圖像法極大地減少了運(yùn)算量，而且在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”和“測定電池的電動(dòng)勢和內(nèi)阻”等實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。

在實(shí)施普通高中新課改的早期階段，高中物理課程改革，給學(xué)生的物理學(xué)習(xí)帶來了一些不適應(yīng)性，這就要求學(xué)生在腦海中時(shí)刻呈現(xiàn)出逼真的物理情境?；诶硐氲奈锢砟Ｐ停柚缓壿?、抽象的物理思維展現(xiàn)清晰的物理情境，最后運(yùn)用基本物理分析方法——微積分法和函數(shù)圖像法將物理問題簡化為數(shù)學(xué)問題來處理，將復(fù)雜問題簡單化，大大降低了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的難度，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 岳耀京.高中物理教學(xué)中滲透物理思想方法的研究[J].中國培訓(xùn)，2017（331），276.

[2]? 人民教育出版社.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·物理（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[3]? 賴南燕，陳婧婷，張毓敏.數(shù)學(xué)思想在中學(xué)物理教學(xué)中的滲透與應(yīng)用[J].學(xué)周刊，2017（29）：106-108.

[4]? 中華人民共和國教育部制定.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[5]? 陳勛.中學(xué)物理中的微積分解題思路研究[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2017（8）：54-55.

[6]? 段紀(jì)斌.高中物理學(xué)習(xí)中結(jié)合生活中物理現(xiàn)象的重要性與學(xué)習(xí)方法[J].教育現(xiàn)代化，2018（2）：170-171.

（責(zé)任編輯 易志毅）