加强物理思想与物理方法的教学

摘 要：在高中物理教学中，加强物理思想和物理方法对于学生提高解决物理问题的能力是非常重要的。物理思想主要包括：研究对象的选取与变换思想，守恒思想，数理结合思想，复杂运动分解思想，矢量思想等。物理方法主要包括：合成分解法，图像法，构建模型法，整体法、隔离法，等效替代法等。

关键词：高中物理教学；物理思想；物理方法；图像；模型

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1009-010X（2013）05-0060-05

在高中物理总复习教学中，经过对知识点的较系统复习，但有些学生在遇到较为灵活的物理问题时，仍感到束手无措，不能顺利地解决。究其原因，主要是物理思想和物理方法掌握的不好，因此，必须加强物理思想与物理方法的教学。

一、重要的物理思想

（一）“研究对象的选取与变换”思想

分析物理问题，首先必须确定研究对象，如果研究对象确定得不妥当或错误，那将增加分析问题的难度或使我们陷入困境。所以，研究对象的选取对正确分析、解决物理问题是十分重要的。必须根据其需要灵活地转换研究对象，从不同的研究对象中找出解决问题的突破口。

例1：一面积为S的喷水管水平放置，距地面高h，水从管口以速度v水平喷出，求：喷出的水在空中的体积。

分析：水从喷水管口喷出，在空中成抛物线，如果把研究对象定在所求的“空中的成抛物线型的水”就会使自己陷入绝境，不知所措。而变换研究对象可顺利解题。

解析：从管口喷出的水落到地面所需时间t，t=■。以时间t从管口喷出的水为研究对象，水在空中的体积就是水从喷水管口喷出，在时间t内以速度v做匀速直线运动形成的柱体的体积。

V=Svt=Sv■

对应练习：

喷泉广场上组合喷泉的喷嘴竖直向上。某一喷嘴喷出水的流量Q=300 L/min，水的流速v0=20 m/s，不计空气阻力，则处于空中的水的体积是 （ B ）

A.5 L B.20 L C.10 L D.40 L

例2：如图1所示，电路由8个不同的电阻组成，R1=12Ω，其余电阻未知，测得AB间的电阻为4Ω，今将R1换成6Ω的电阻，则AB间的总电阻为多少？

分析：如果看到电路图后，就埋头画等效电路图，八个电阻的连接方式画来画去画不出头绪，结果徒劳无功。

解析：把R1之外的其余7个电阻等效成一个电阻R，那么R1和R并联，并联的阻值为4Ω，即■=4，解得R=6Ω

所以，当R1=6Ω时，RAB=3Ω

对应练习：

如图2所示，一个无限电阻网络，每个电阻均为R，则AB间的等效电阻是多少？

分析：

因为网络是无限的，所以RAB=RA′B′

（抓住无限进行分析）

等效电路如图3所示

RAB =■ RAB =（■-1）R

（二）守恒思想

能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。能量转化和守恒思想贯穿整个高中物理教材，力学、热学、电路、电磁、原子物理等各领域。在有些问题中，当用牛顿力学难以找到突破口时，可用守恒的思想解决问题。

例3：伦琴射线管中电子的加速电压为8×104V，则产生的伦琴射线的能量肯定不可能是（ ）

A.3×102ev B.4×103ev C.1×104ev D.9×104ev

解析：根据能量守恒，伦琴射线的能量不能大于电子的能量，所以答案为D。

对应练习：频率γ0的光子由地球表面某处竖直向上运动，当它上升ΔH 的高度时，由于地球引力作用，它的波长变长，我们称此为引力红移，设光速为c，该光子频率的红移Δγ0与原有频率γ0之比为（ B ）

A.■ B.■ C.■ D.■

解析：光子的能量为hγ0=mc2 质量为m=hγ0 /c2

由能量守恒定律，上升ΔH，重力势能增加mg ΔH

hγ0= hγ′+ mg ΔH

Δ γ0 / γ0 = g ΔH /c2

（三）数理结合思想

一道综合性的物理题，有时只靠物理原理是不能解决的，还需要应用数学知识（比如相似三角形、正弦定理、极值，圆的知识等）来解决。

例4、如图4所示，两个等长的绝缘细线分别连接两个质量为m1、m2的带电小球，两细线与竖直方向所成角度分别为α、β，则m1：m2 = ？

解析：物体受力分析如图，

利用几何三角形和矢量三角形相似，得

F1/m1g=AC/OC （1）

F2/m2g=CB/OC （2）

利用正弦定理，推得

AC/sin α=BC/sin β （3）

由以上三式解得：

m1：m2= sin β： sin α

（四）复杂运动分解思想

例5：水平方向的匀强电场中，有一个带电小球自O点竖直向上抛出时，它的初动能EK0=4J，当它上升到最高点M时，其动能为5J，当它折回并通过与O点在同一水平线上的O'点时，其动能EK是多少？

解析：带电粒子的运动轨迹如图5中虚线所示，研究物体的运动，需要按其受力方向，把它的运动沿水平和竖直方向分解。由运动的独立性原理，可知带电小球在竖直方向做竖直上抛运动，水平方向做匀加速直线运动。令M点速度为vM，则小球在O'点速度如图所示，求出和速度，即可求得在O'点的动能。

（五）矢量思想

高中物理所涉及的物理量几乎都是矢量，比如速度、位移、加速度、力、动量、冲量、电场强度、磁感强度等。在概念性问题和综合题中都要考虑到矢量的方向。

例6：一物体从静止开始加速，经过时间t后速度为v1，后开始减速，又经时间t回到出发点，此时速度v2等于多少？

分析：运动学公式有鲜明的矢量特性，在建立速度或位移的关系式时，一定要注意各物理量的方向。

解析：令第一阶段的运动位移为x1 ，第二阶段的运动位移为x2， 则

x1=■t ……………………………… （1）

x2=■t （因为v2与v1方向相反）……（2）

x1=-x2 ………………………………… （3）

联立以上三式，v2=2v1

还有等效替代思想、对称的思想等。

二、主要的物理方法

在加强物理思想教学的同时，还要加强物理方法的教学，使学生掌握常用的方法，解决物理问题。

（一）合成分解法

高中物理教材中，学生熟悉力的合成与分解，运动的合成与分解，但往往仅限于课本的内容，比如平抛运动，使用了运动分解的方法。而且速度、位移、加速度、力、动量、冲量、电场强度、磁感强度等，都是矢量，都可以采用合成与分解的方法解决问题。

例7：如图6所示，平行于

纸面向右的匀强磁场，磁感应

强度B1= 1T，位于纸面内的细

直导线，长L=1m，通有I=1A的

恒定电流，当导线与B1成60° 夹角

时，发现其受到的安培力为零，则该

区域同时存在的另一个匀强磁场的

磁感应强度B2大小可能值为（ ）

A. T/2 B. ■T

C. 1T D. ■T

解析： 如果磁场方向与电流方向平行，则通电导线所受安培力作用为零。所以，该题中B1 与B2的和与电流平行。 根据三角形法则（如图7所示）可知，B2的大小是不小于B1·sin60°=■T 的所有值。所以选B C D

对应练习：在足够大的真空空间中，存在水平向右方向的匀强电场，若用绝缘细线将质量为m的带正电小球悬挂在电场中，静止时细线与竖直方向夹角θ=37°，现将该小球从电场中的某点以初速度v0竖直向上抛出，求：小球在电场内运动过程中的最小速度。

分析：小球悬挂在电场中，静止时细线与竖直方向夹角θ=37°

qE=mgtgθ=3mg/4

小球以初速度v0竖直向上抛出后，球运动过程较为复杂，若将v0分解为沿合力方向的v1和垂直于合力方向的v2（如图8所示），因为v2与合力垂直，故其大小不变。v1与合力方向相反，所以当v1减为零时，小球的动量最小，

P最小=mv1=mv0sin37°=0.6mv0

（二）图像法

对于运动过程比较复杂的问题，图像法往往能简化繁杂的关系和过程，收到事半功倍的效果。解决图像问题的关注点：识图、画图、换图、用图。

例8：如图9所示，两个光滑斜面的总长度相等，高度也相等，两小球分别由静止从顶端下滑，若小球在图中转折点无能量损耗，则 （ ）

A.两球同时落地 B.b球先落地

C. a球先落地 D.无法确定

解析：做出两小球的速率-时间图象如图10所示，图线与坐标轴所围面积表示路程L

由图像易知，tb

对应练习：如图11甲所示，将质量为2m、长度为L的木板静止地放在光滑水平面上，一质量为m的金属块（可视为质点），以水平初速度v0由木板左端恰能滑至木板的右端并与木板相对静止，金属块在运动过程中所受的摩擦力始终不变。现将木板分成长度与质量均相等的两段（1和2）后紧挨着放在此水平面上，让金属块仍以相同的初速度v0由木板的左端开始滑动，如图11乙所示。

①图乙中，金属块仍能滑到木板2的右端与木板保持相对静止。

②图乙中，金属块滑过木板2的右端后飞离木板。

③图乙中，金属块在到达木板2的右端前就与木板保持相对静止。

④图甲中，金属块最终的速率大于图乙中金属块最终的速率。

⑤图甲所示过程中产生的热量大于图乙所示过程中产生的热量。

⑥图甲中，金属块开始滑上木板到刚好达到稳定状态所用的时间大于图乙中金属块刚好达到稳定状态所用的时间。

下面判断正确的是（ ）

A.①④⑤ B.③⑤⑥

C.②④⑤ D.③④⑥

分析：这是一个过程很繁杂的问题，很容易顾此失彼，造成选择错误。如果根据题中描述，做出两种情况下的速度-时间图像如图12所示（图像与坐标轴所围面积的一半表示L/2），并进行比较，就极易得出正确的结果为：

③图乙中，金属块在到达木板2的右端前就与木板保持相对静止。

⑤图甲所示过程中产生的热量大于图乙所示过程中产生的热量。

⑥图甲中，金属块开始滑上木板到刚好达到稳定状态所用的时间大于图乙中金属块刚好达到稳定状态所用的时间。

所以，正确答案为B。

（三）构建模型法

分析问题要善于抓住其本质，对于不同题目中的同类问题，能够建立模型并能做适当的转化，进行知识的迁移。

例9：用长度为L的铁丝绕成一个高度为H的等螺距螺旋线圈。将它竖直地固定于水平桌面。穿在铁丝上的一个小珠子沿此螺旋线无摩擦地下滑。这个小珠子从螺旋线圈最高点无初速滑到桌面经历的时间t= 。

解析：把珠子沿等螺距螺旋线圈的运动等效为在髙为H，斜面长为L的光滑斜面上的运动。建立模型后如图13所示，问题瞬间可解。

对应练习：如图14所示，在竖直平面内有一段光滑的圆弧轨道MN，它对应的圆心角小于10°，p是MN的中点，也是圆弧的最低点。在MP间的一点Q和P之间搭一光滑斜面并将其固定。将两个小滑块同时分别从Q点和M点由静止释放，则两个小滑块第一次相遇时的位置（ ）

A.一定在斜面PQ上一点

B.一定在PM上一点

C.一定在P点

D.不知道斜面PQ的

长短，无法判断

分析：建立“等时圆”的模型和单摆模型即可。答案为A

（四）整体法、隔离法

整体法、隔离法是解决物理问题常用的方法，对于有两个或两个以上的物体，如果它们具有相同的运动状态，既可以分别研究它们，同时又可以把它们当做一个整体来研究。在许多连接体问题中，往往是“整体+隔离”法。对于这样具有明显标识性的问题，学生是比较容易解决的。但是，在实际问题中，我们面对的可能是一个较为复杂的体系，而研究对象可能是整个体系，也可能是体系中的某一部分。而学生这方面的能力是较为欠缺的，应该加以指导。

例10：一条质量为m的均匀链条两端分别用细线悬挂于天花板上，链条与天花板之间的夹角为θ，如图15所示。求（1）A端细线对链条的拉力。（2）链条最低端处的张力。

解析：（1）一整根链条为研究对象，其受力如图16所示。

易得FA=■

（2） 若求链条最低端处的张力，则不能将整根链条作为研究对象，而必须把链条一分为二，如图17所示，取左半部分的链条为研究对象，对其进行受力分析，如图18所示。

解得：F=■

对应练习：如图19所示，半径为 R 的细金属圆环中通有恒定电流 I，圆环置于水平面上，处于竖直向下的匀强磁场中，求 ：圆环受到的张力。

分析：隔离上半段圆环AB作为研究对象，圆环AB受到方向向上的安培力F，

F=BI×2R（有效长度为2R）

圆环AB两端受到的张力为T，

方向沿切线，

由平衡条件得 F=2T

T=BIR

（五）等效替代法

有些物理问题比较复杂，如果直接按照题中原有的条件进行解答，很难找到解题的突破口。这时如果能根据题目的特点，在不改变原有题意的情况下，改变原有题目或条件的叙述方式，即采取“等效替换”的方式，把原题中的某些条件“等效替换”为另外一些更有利于解题的条件，或者把原题“等效替换”为比较熟知的问题去思考，可以变难为易找到解题的方法。

例11：如图20所示的装置中，木块被细线拴在烧杯的底部，整个装置保持静止，当细线被烧断，木块加速上浮时，测力计的读数与稳定时比较， （ ）

A.增大

B.减小

C.不变

D.无法确定

解析：木块加速上升时，

由于木块的质量小于被木块排开

的水的质量，等效于被木块排开的水在加速下降。

由牛顿运动定律可知，测力计的读数与稳定时比较要减小（失重）。

对应练习：（2006年高考25题）有个演示实验，在上下面都是金属板的玻璃盒内，放了许多锡箔纸揉成的小球，当上下板间加上电压后，小球就上下不停地跳动。现取以下简化模型进行定量研究。

如图21所示，电容量为C的平行板电容器的极板A和B水平放置，相距为d，与电动势为ε、内阻可不计的电源相连。设两板之间只有一个质量为m的导电小球，小球可视为质点。已知：若小球与极板发生碰撞，则碰撞后小球的速度立即变为零，带电状态也立即改变，改变后，小球所带电荷符号与该极板相同，电量为极板电量的α倍（α

（1）欲使小球能够不断地在两板间上下往返运动，电动势ε至少应大于多少？

（2）设上述条件已满足，在较长的时间间隔T内小球做了很多次往返运动。求在T时间内小球往返运动的次数以及通过电源的总电量。

分析：解决本题的关键是：小球往返一次通过的电量为2q，在T时间内通过电源的总电量Q=2qn。

但在当年的考生中，绝大多数人在这个问题上耗费了大量的时间，却不能得到正确的结果，有的认为小球往返一次通过的电量为q， 有的认为是4q，其实，带负电的小球从B到A的过程中，等效在时间t1内回路中有顺时针方向的恒定电流I1-，所以在t1时间内，通过电源的电量q1=I1t1=q；带正电的小球从A到B的过程中， 等效在时间t2内回路中有顺时针方向的恒定电流，所以在t2时间内，通过电源的电量q2=I2t2=q，小球往返一次通过的电量为2q。