高中物理思维方法

高中物理思维方法讲座南京市金陵中学朱焱2009年4月16日数学方法在物理解题中的应用物理模型在物理解题中的应用等效思想在物理解题中的应用对称思想在物理解题中的应用守恒思想在物理解题中的应用数学作为工具学科，其思想、方法和知识始终渗透贯穿于整个物理学习和研究的过程中，为物理概念、定律的表述提供简洁、精确的数学语言，为学生进行抽象思维和逻辑推理提供有效方法.为物理学的数量分析和计算提供有力工具.中学物理教学大纲对学生应用数学工具解决物理问题的能力作出了明确要求.●数学方法在物理解题中的应用高考物理试题的解答离不开数学知识和方法的应用，借助物理知识渗透考查数学能力是高考命题的永恒主题.可以说任何物理试题的求解过程实质上是一个将物理问题转化为数学问题经过求解再次还原为物理结论的过程。物理解题运用的数学方法通常包括方程(组)法、比例法、数列法、函数法、几何(图形辅助)法、图象法、微元法等.1.方程（组）法物理习题中，方程组是由描述物理情景中的物理概念，物理基本规律，各种物理量间数值关系，时间关系，空间关系的各种数学关系方程组成的。◆弄清研究对象，理清物理过程和状态，建立物理模型.◆按照物理情境中物理现象发生的先后顺序，建立物理概念方程，形成方程组骨架.◆据具体题目的要求以及各种条件，分析各物理概念方程之间、物理量之间的关系，建立条件方程，使方程组成完整的整体.◆对方程求解，并据物理意义对结果作出表述或检验.【例1】一辆汽车在十字路口等候绿灯，当绿灯亮时汽车以3m/s2的加速度开始行驶，恰在这时一辆自行车以6m/s的速度驶来，从后边赶过汽车，试求：（1）汽车从路口开动后，在追上自行车之前经过多长时间相距最远？此时距离是多少？（2）什么时候汽车追上自行车，此时汽车的速度是多少？2.比例法比例计算法可以避开与解题无关的量，直接列出已知和未知的比例式进行计算，使解题过程大为简化.应用比例法解物理题，要讨论物理公式中变量之间的比例关系，清楚公式的物理意义，每个量在公式中的作用，所要讨论的比例关系是否成立.(1)比例条件是否满足：物理过程中的变量往往有多个.讨论某两个量比例关系时要注意只有其他量为常量时才能成比例.(2)比例是否符合物理意义：不能仅从数学关系来看物理公式中各量的比例关系，要注意每个物理量的意义(例：不能据R＝U/I认定为电阻与电压成正比).(3)比例是否存在：讨论某公式中两个量的比例关系时，要注意其他量是否能认为是不变量，如果该条件不成立，比例也不能成立.(串联电路中，不能根据Ｐ＝U2/R，就得出P与R成反比的结论，因为R变化的同时，U随之变化而并非常量)【例2】如图所示，光滑的半球形物体固定在水平地面上，球心正上方有一光滑的小滑轮，轻绳的一端系一小球，靠放在半球上的A点，另一端绕过定滑轮后用力拉住，使小球静止.现缓慢地拉绳，在使小球沿球面由A到B的过程中，半球对小球的支持力N和绳对小球的拉力T的大小变化情况是()A.N变大，T变小B.N变小，T变大C.N变小，T先变小后变大D.N不变，T变小3.数列法凡涉及数列求解的物理问题具有多过程、重复性的共同特点，但每一个重复过程均不是原来情形的“绝对重复”，也就是说重复中有变化，随着物理过程的重复，某些物理量逐步发生着“前后有联系的变化”.该类问题求解的基本思路为：（1）逐个分析开始的几个物理过程；（2）利用归纳法从中找出物理量的变化通项公式(是解题的关键)，最后分析整个物理过程，应用数列特点和规律解决物理问题；（3）无穷数列的求和，一般是无穷递减等比数列，有相应的公式可用.【例3】一弹性小球自h0=5m高处自由下落，当它与水平地面每碰撞一次后，速度减小到碰前的7/9，不计每次碰撞时间，计算小球从开始下落到停止运动所经过的路程和时间.【分析】考生若不能通过对开始的几个重复的物理过程的正确分析，归纳出位移和时间变化的通项公式，将导致无法对数列求和，得出答案.【解答】小球第一次落地时速度为v0v0＝=10m/s则：第二…第n＋１次落地速度分别为：v1＝v0，v2＝（）2v0，…，vn＝（）nv0小球开始下落到第一次与地相碰经过的路程为h0=5m，小球第一次与地相碰到第二次与地相碰经过的路程是：L１＝２×＝１０×（）29702gh97979797gv22197小球第二次与地相碰到第三次与地相碰经过的路程为L２，L２＝２×＝１０×（）2由数学归纳法可知，小球第n次到第n＋１次与地相碰经过的路程为Ln：Ln＝１０×（）2n故整个过程总路程s为：ｓ＝ｈ+（L１＋L２＋…＋Ln）＝５＋10［（）2＋（）4＋…＋（）2n］gv2219797979797可以看出括号内的和为无穷等比数列的和.由等比无穷递减数列公式Sn＝得：ｓ＝20.3m小球从开始下落到第一次与地面相碰经过时间：t０＝＝１ｓ小球第一次与地相碰到第二次与地相碰经过的时间为：t１＝２×＝２×ｓ同理可得：tn＝２×（）nｓt＝t０＋t１＋t２＋…＋tn=８ｓ.qa11002ghgv197974.几何法（圆的知识）应用与圆有关的几何知识在力学部分和电学部分均有应用，尤其带电粒子在匀强磁场中做圆周运动应用最多，其难点往往在圆心与半径的确定上。(1)依据切线的性质定理确定：从已给的圆弧上找两条不平行的切线和对应的切点，过切点做切线的垂线，两条垂线的交点为圆心，圆心与切点的连线为半径.(2)依据垂径定理(垂直于弦的直径平分该弦，并平分弦所对的弧)和相交弦定理(如果弦与直径垂直相交，那么弦的一半是它分直径所成的两条线段的比例中项)来确定半径：由BE２＝CE×ED＝CE×（2R－CE）得也可用勾股定理得到：ＯB２＝（ＯC－CE）２＋EB２R2＝（R－CE）２＋ＥB２得222CECEEBR222CECEEBR此两种求半径的方法，常用于带电粒子在匀强磁场中运动的习题中.【例4】如图离子枪射出方向为长度d的平行金属板MN和PQ之间的中线，离子枪距金属板水平距离为d，整个装置处在磁感应强度为B的方向向里的匀强磁场之中，初速为零的负离子经过电势差为U的电场加速后，从离子枪T中水平射入磁场.(不考虑重力)求：离子荷质比（ｑ、m分别是离子的电量与质量）在什么范围内，离子才能打在金属板上?2228932dBUmq222532dBU答案：≤≤理想化模型就是为便于对实际物理问题进行研究而建立的高度抽象的理想客体.高考命题以能力立意，而能力立意又常以问题立意为切入点，千变万化的物理命题都是根据一定的物理模型，结合某些物理关系，给出一定的条件，提出需要求的物理量的.而我们解题的过程，就是将题目隐含的物理模型还原并求出结果的过程.●物理模型在物理解题中的应用（1）通过审题，摄取题目信息.如：物理现象、物理事实、物理情景、物理状态、物理过程等.（2）弄清题目所给信息中什么是主要因素.（3）寻找与已有信息（某种知识、方法、模型）的相似、相近或联系，通过类比联想或抽象概括，或逻辑推理，或原型启发，建立起新的物理模型，将新情景“难题”转化为常规命题.（4）选择相关的物理规律求解.【例5】如图所示,在光滑的水平面上静止着两小车A和B，在A车上固定着强磁铁，总质量为5kg,B车上固定着一个闭合的螺线管.B车的总质量为10kg.现给B车一个水平向左的100N·s瞬间冲量，若两车在运动过程中不发生直接碰撞，则相互作用过程中产生的热能是多少？【分析】以动量守恒定律、能的转化守恒定律、楞次定律等知识点为依托，考查分析、推理能力，等效类比、模型转换的知识迁移能力.通过类比等效的思维方法将该碰撞等效为子弹击木块（未穿出）物理模型，是切入的关键，也是考生思路受阻的障碍点.由于感应电流产生的磁场总是阻碍导体和磁场间相对运动，A、B两车之间就产生排斥力，以A、B两车为研究对象，它们所受合外力为零.动量守恒，当A、B车速度相等时，两车相互作用结束，据以上分析可得：I=mBvB=(mA+mB)v,v=6.7m/s从B车运动到两车相对静止过程，系统减少的机械能转化成电能，电能通过电阻发热，转化为焦耳热.据能量转化与守恒：Q=mBvB2－(mA+mB)v2=166.7J2121【例6】在原子反应堆中抽动液态金属或在医疗器械中抽动血液等导电液体时，由于不允许传动的机械部分与这些液体相接触，常使用一种电磁泵，如图所示为这种电磁泵的结构.将导管放在磁场中，当电流通过导电液体时，这种液体即被驱动.如果导管中截面面积为a·h，磁场的宽度为L，磁感应强度为B，液体穿过磁场区域的电流强度为I求驱动力造成的压强差为多少？【分析】考生惯于已知物理模型的传统命题的求解，在此无法通过原型启发，将液体类比为磁场中导体，建立起熟知的物理模型，无法使问题切入.此题背景是电磁泵问题，它的原理是，当电流流过液体时，液体即为载流导体，在磁场中将受到安培力作用，力的方向由左手定则判定，所以液体将沿v的方向流动.液体通电后可视为导体，从电磁场的原理图中可抽象出如图所示的模型，既通电导体在磁场中受力模型.以载流导体为研究对象，根据安培力公式，载流导体受到的安培力（即液体受力）为：F=BIh由压强公式，且S=a·hp=aBI等效法亦称“等效替代法”，是科学研究中常用的思维方法之一.掌握等效方法及应用，体会物理等效思想的内涵，至关重要。高考命题愈加明显地渗透着物理思想、物理方法的考查，等效思想和方法作为一种迅速解决物理问题的有效手段，经常体现于高考命题中.●等效思想在物理解题中的应用等效方法是在保证某种效果（特性和关系）相同的前提下，将实际的、复杂的物理问题和物理过程转化为等效的、简单的、易于研究的物理问题和物理过程来研究和处理的方法.运用等效方法处理问题的一般步骤为：（1）分析原事物（需研究求解的物理问题）的本质特性和非本质特性.（2）寻找适当的替代物（熟悉的事物），以保留原事物的本质特性，抛弃非本质特性.（3）研究替代物的特性及规律.（4）将替代物的规律迁移到原事物中去.（5）利用替代物遵循的规律、方法求解，得出结论.【例7】（物理过程的等效）如图所示，已知回旋加速器中，D形盒内匀强磁场的磁感应强度B=1.5T，盒的半径R=60cm，两盒间隙d=1.0cm，盒间电压U=2.0×104V，今将α粒子从近于间隙中心某点向D形盒内以近似于零的初速度垂直B的方向射入，求粒子在加速器内运行的总时间.考生对α粒子运动过程缺乏分解和总体把握，不能运用等效办法求解在电场中加速的时间，陷入逐段分析求和的泥潭，导致困难。在间隙处电场中运动时间为tE，因每次时间不等（且次数又多，分段算将十分繁琐），可将各段间隙等效“衔接”起来，展开成一准直线，则粒子在电场中运动就可视作初速度为零的匀加速直线运动。【例8】（物理模型的变换等效）如图所示的甲、乙两个电路中电源电动势E和内电阻r已知，定值电阻R0已知，求电阻R调至多大时，R上获得的电功率最大，其最大值为多少？电源在什么条件下输出功率最大？甲乙考查综合分析能力及运用已学知识灵活解决物理问题的能力。考生往往借助常规思路，据闭合电路欧姆定律及直流电路特点，写出R的功率表达式，讨论求解，繁杂易错，思维缺乏灵活性.本题用隔离法分析比较巧妙，设沿虚线将电路隔离成左、右两部分，左边部分可以看作一个新的电源.对（甲）图电路来说，新电源的电动势为E′=E，而内电阻r′=r+R0.简化成了由等效电源（E′,r′）与电阻R连成的最简单电路.由电源的输出功率（即外电路上R获得的电功率）与外电阻R的关系求解。【例9】如图所示，在水平正交的匀强电场和匀强磁场中，半径为R的光滑绝缘竖直圆环上，套有一个带正电的小球，已知小球所受电场力与重力相等，小球在环顶端A点由静止释放，当小球运动的圆心角为多大时，所受磁场力最大？1.领会物理情景，选取研究对象.在仔细审题的基础上，通过题目的条件、背景、设问，深刻剖析物理现象及过程，建立清晰的物理情景，选取恰当的研究对象如运动的物体、运动的某一过程或某一状态.●对称思想在物理解题中的应用2.透析研究对象的属性、运动特点及规律.3.寻找研究对象的对称性特点.在已有经验的基础上通过直觉思维，或借助对称原理的启发