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第23章 学好高中物理的有效方法与技巧(2)

物理规律总是在一定的条件下认识总结出来的,它带有条件性,因而是相对的。无论是对规律进行理解还是去运用物理规律,都必须注意物理规律的使用范围。

对于物理规律的适用范围的考察,要注意如下三种情况。情况之一是,有些物理规律本身已经明确说明规律的适用范围。如帕斯卡定律已指明其压强是加在“密闭液体”上的压强,电阻定律的成立条件是“在温度不变时”,透镜成像规律的成立条件是“薄透镜”。在这些条件下,物理规律的使用范围最容易把握。情况之二是,有些条件是在发现物理规律时不知道的,或者是在我们学习引进规律时没有考虑的。例如欧姆定律是在金属导电的基础上总结出来的,对于其他导体是否适用还要经过实验研究。实验结果是:欧姆定律还适用于液体但对气体就不适用了。牛顿第二定律,是在人类认识相对论和量子论以后,才发现它只适合于宏观低速运动的物体。在这种情况下,把握物理规律的适用范围就不能仅仅局限在有限的适用的范围内,必须丰富自己的物理学知识,以便从一个更宽广的背景中理解和把握这些规律的适用范围。情况之三是,严格说来,某种物理条件下并不适合运用某个物理定律,但是,在实际的操作上运用这个定律也可以获得近似的效果,在该条件下可以运用这个定律。如:万有引力定律仅仅适合于计算质点之间的万有引力,因而严格说来,不能用万有引力定律来计算地球和月球之间的万有引力。但由于地球和月球的大小相对于两者之间距离来说太小,所以,可以把地球和月球看作是质点,运用这个定律来计算地球和月球的万有引力。其他的,如把在空气中由静止开始下落的物体的运动看作自由落体运动,也是一种近似的方法。所以,我们应该把握物理规律在什么样的近似条件下可以运用。这样,可以使实际物理问题的解决大大简化,并培养我们思维的灵活性。

(4)掌握规律之间的联系

物理规律是通过描述物理概念之间的关系来解释自然现象的。以物理概念为中介环节,相同或者相关领域的物理规律就可以形成相互联系的网络。物理知识的这种系统性使得相关的物理规律具有相互验证的性质,一般的物理规律可以用最基本的物理理论、物理规律推导出来,或者给予解释和说明。物理规律之间不会出现相互矛盾。

例如:我们要求一个物体落地时的速度,我们可以用运动学公式来求,也可以根据机械能量守恒来求,最后我们将会得出相同的结果。再如在证明闭合电路的一部分导体切割磁感线产生的感应电动势E=BLυ时,我们可以利用法拉第电磁感应定律证明,也可以利用能量守恒来证明。

物理规律之间的相互联系给了我们这样的启示:当我们学习新规律后,要注意它与原有知识的联系,使新知识成为知识系统的一部分,加深对知识的理解。规律的相互联系还为我们提供了下面的可能性,即当我们面临某一个物理情景时,可以由运用某一规律转而运用另一规律。并且可能正是因为我们转换了一个视角,原来不能解决或者解决起来很麻烦的问题,就变得容易解决了。

4.把所学的物理知识组织成一个知识系统

任何知识都不是孤立的东西,它总是某个知识系统中的一个有机部分。所以,我们在学习每一门知识的过程中,都要善于把零散的知识放到整体中去认识、了解和掌握。这样才能真正地学好它。因此,在学习整个物理学知识的时候,应该注意随时对物理知识进行组织,以便形成知识系统。也只有这样,我们才能促进物理知识的扩展,由点到线,全面地掌握知识;才能使自己的思维处于非常灵活、敏捷的状态,在解决问题时才能从不同的角度、不同方位去思考,掌握思维的方法和技巧,举一反三,触类旁通,发展思维能力。

实践表明,学生在学习完一部分内容后,根据自己的理解画出体系图是对物理知识进行组织,形成知识系统的一种非常有效的方法。一般说来,一个好的体系图应该反映出如下三个方面的内容:知识的总体系,知识的主干和分支以及重点知识的层次。图5-1就比较系统地表示了高中力学知识体系,表述了各个知识点的位置和层次。

图5-1高中力学知识体系

由图5-1可以看出,高中力学知识的总体方面:①力和运动之间的关系问题是力学的中心问题;②通过描述运动的物理量(右起第三列)和表示力的效果的物理量(左起第二列),全面系统地揭示了力和运动之间多重因果关系的基本规律(左起第三列)。在知识的主干和分支方面,可以看出:A,牛顿第二定律是力学体系的核心,以它为核心,交汇点的纵列和横排是知识体系的主干,其余部分则为相对独立的分支,B,牛顿第一定律是牛顿第二定律的起点和基础,而动量定理、动能定理、机械能守恒定律、动量守恒定律是以牛顿第二定律为基础的推理系统。在高中力学重点知识的层次方面,平行四边形法则、牛顿第三定律、机械能守恒定律、动量守恒定律、加速度、运动、匀变速直线运动等,用粗线方框标出的概念或者规律是高中力学的重点知识。

当然,由于不同的人在认识以及表达方式上都存在差异,所以,同样的知识表达出来的层次图会有差异。但只要他们对物理知识进行组织时注意了以上的三个方面,并且注意把这些外在的组织形式转化为内在的知识结构,就一定能够大有所获。

二、物理基本技能的学习方法

根据高考“考试说明”的要求,物理学科考试对考生是以能力考查为主的。所以,在学习中,我们也要把物理基本技能的学习放在重要的位置上,要把知识和能力紧密结合起来。

物理学科对培养能力的要求主要体现在:思维能力、实验操作能力、运用数学知识解决物理问题的能力等方面。

1.物理思维技能的学习方法

物理学中的思维技能,是我们学好物理的一个重要的前提条件。这一前提条件要求同学们针对物理学本身的特点,学习物理学中的一些特殊的思维方式。这些思维方式主要包括下列几个方面:

(1)分析综合法

分析和综合是抽象思维的两种基本方法。分析就是把事物、现象、概念等划分成简单的部分,找出其本质属性或因素;综合即把各自独立而相互联系的事物或现象进行归纳整理,从而对这一物理现象或物理过程获得全面、完整的认识;分析综合法是自然科学中通常采用的基本逻辑思维方法,物理学习的过程当然不例外。

分析综合法的第一个主要过程是分析。物理学上的分析包括物理量的分析、物理对象的分析和物理过程的分析。

分析与综合是相互联系的,不应将两者截然分开。很多情况下,可以对研究对象先隔离分析再综合,或先综合后再隔离分析。对一个物理对象或物理过程是否分析,怎样分析,往往是通过综合、全面的考虑后作出的。例如,在静力学问题中,研究叠加体所受的地面的摩擦力,可将叠加体看成一个整体,而不对它们的相互作用力进行分析;在利用能量守恒解决问题时,单个物体机械能不守恒而整体机械能守恒,这时,就应按整体列机械能守恒方程。所以,分析应该是综合的分析,在分析时应有全局观;而综合则应该是建立在分析的基础上的综合,要防止漏掉物理现象或过程的关键环节。

分析综合法的一般程序是:

①综合性分析,判断问题的性质与类别。就是对问题进行初步的定性分析与综合,判定问题的性质与类别,由此得到对问题的整体性认识。

②选择问题的解决方案。就是在对问题获得初步认识的基础上,根据所学的物理学知识,找出解决问题的可行的途径,从而确定解决问题的方法。

③具体分析。暂时切断整体中的各个部分、过程中各阶段的联系,分别进行分析。如有必要就分别建立各自相对的物理方程。

④综合。在分析的基础上,恢复各部分的联系,从各部分的关系出发建立新的方程,最后解决问题。

(2)理想化法

理想化的方法在物理中应用非常广泛。它的具体方法是:进行分析,找出本质和进行理想化。理想化的方法包括物理条件理想化和建立物理模型。

物理条件理想化又称为理想化(思想)实验。例如,17世纪之前,人们普遍认为力是维持物体运动的原因。伽利略通过对实例的观察,发现这种认识是错误的。为了弄清实际规律,伽利略设计了“斜面实验”,让小球从一个斜面上滚下来,接着又滚到另一个斜面上,如果斜面和小球表面都很光滑,小球就可以达到同第一个斜面几乎相同的高度。减小第二个斜面的倾角重复上述实验,小球仍要达到几乎同样的高度,但移动的路程更远了。若倾角减为零(水平放置),小球的移动距离非常远,随着斜面与小球之间的摩擦逐渐减小,这一距离就逐渐增大。于是,伽利略开始推论,如果没有摩擦力,小球在第二个斜面上能达到的高度等于第一个斜面上的初始高度,同理,如果没有摩擦,从第一个斜面上滚下来的小球,将在水平面上永远不减速地运动下去。伽利略就运用逻辑推理的思维方法,得到一个普遍的结论:力不是维持物体运动的原因,而是改变物体运动状态的原因,从而纠正了人们长期以来对力的错误认识。

这就是一个理想化实验。

在滑冰的时候我们可能有这种体会,就是冰面越光滑,我们以一定的初速度滑出去以后越难停顿下来。我们可以这样推测,如果冰面是绝对光滑的,那么我们就可以无限地滑下去了。

其实,在现实的条件下,绝对光滑的平面是不存在的,所以这种想法是严重地脱离现实的。这种实验只能是在观念中进行,所以又称为理想实验。由于理想实验的方法是物理学研究中的一种常用的方法,我们在学习物理时也应该自觉运用这种方法。

物理模型是运用理想化实验的方法建立起来的模型。如匀速直线运动、匀变速直线运动、透镜、简单机械、连通器等,都是把一些次要因素忽略而理想化形成的物理模型。这些物理模型使物理问题的研究过程大大简化,实际上也是对物理现实的一种近似处理的方法。

当然,能否运用物理模型,即能否进行近似处理需要有一定的条件。例如,只有当两个物体之间的距离比两物体本身大很多的情况下,才能把两个物体当作质点。虽然地球和太阳都很大,但在进行万有引力的计算时,地球和太阳之间的距离使得这两个星球本身的大小显得无关紧要,地球和太阳都可当作质点。另外,当物体平动时,而且我们也关心的是整个物体的运动,由于它的各个部分的状态完全相同,所以也可当作质点。但是,如果两个物体的距离不那么大,那么,虽然物体本身并不大,计算两个物体之间的相互引力就不能当质点来处理了。

(3)等效法

以效果相同或相当来研究问题的方法就叫等效的方法。如在空气中把物体挂在弹簧秤上,弹簧秤上的示数就是该物体受到重力的大小。因为这时候,弹簧秤受到的物体的拉力等效于物体受到的地球的引力。如果把物体完全浸入到液体里,弹簧秤上指示的数便等效于物体受到的重力和浮力的合力。再如,人们常说家用电器电源两端的电压是220伏,实际上并非电源两端的电压时时刻刻都是220伏,因为交流电的电压会周期性地波动,只是说电源两端的电压在效果上相当于给用电器两端通上220伏的直流电。由于等效的方法为我们研究物理现象、解决物理问题提供了很大方便,因而我们在物理的学习过程中也应该学习这种方法。

(4)类推法

由两类事物在某些方面特性相同或相似,推测出它们在另一些方面的特性也相同或相似的方法,叫类推法。由于物理现象之间,甚至相距甚远的物理现象之间都存在着不少相似之处,故在物理学中类推法也常常得到运用。在物理学习的过程中,我们可以运用此法帮助我们理解、掌握物理知识。例如,水压和电压有类似之处;在串联以及并联电路中,电压以及电流强度与水流有诸多相似之处。正是由于重力和电场力具有相似性,因此它们之间可以进行类比。通过类比,我们可以将非常抽象、难懂的知识变得形象直观,加深记忆和理解。

在学习类推法时,我们要注意的是:首先,必须弄明白两类现象之间能够类推的原因。例如,电流可以用水流进行类推,是由于水流和电流都是物质粒子的定向运动,电荷的定向运动是受电场力的作用,水粒子的运动是由于受到重力的作用;其次,类推要在一定范围内进行,要防止过分类推。例如:轻杆、轻绳和轻弹簧都有弹力,结构相似,但对这种物品的性质就不能过分类推。轻杆不仅可以产生纵向弹力,还能产生横向弹力,故弹力的方向不一定沿杆;轻绳和轻弹簧的弹力在方向上有可类推之处,但轻绳一般不考虑伸长,但弹簧的伸缩却是不能忽略的。再如,电场力和万有引力的计算之间存在着可以类推的因素,但如果有人在计算两球形带电体间的库仑力时,像计算两球之间的万有引力那样,把两个球心的距离作为电荷相互作用的距离,这就犯了过分类推的错误。

(5)想像训练法

想像可以在物理的学习中发挥重要作用。在概念的形成过程中,新感知的现象要进一步加工成头脑中具有较高概括水平的物理表象,同时头脑中的原有表象也在进行组合或改造,与新表象融合在一起,形成既形象又概括的物理概念图景。在中学物理的学习中要形成“理想气体”、“质点”等物理模型就包含着想像和幻想的成分。认识“电场”、“磁场”、“原子结构”等,也必须具有丰富的想像力。了解气体分子运动论的知识、电磁波的产生,也要根据已掌握的物理知识和事实,发挥高度的抽象和联想能力去认识它们的规律。

在物理问题的解决过程中,想像也发挥着重要作用。解决物理问题不仅需要想像得出问题的空间关系和物理图景,而且需要想像在整个解题思路中起导向和创造作用,这种导向作用表现为通过想像获得对问题轮廓整体的认识,引导解题活动有目的地向着预想的方向发展。另外,想像还具有创造作用,具体表现为:通过想像独立提出新的解题方法,或独立设计出新的实验方案。

由于想像在物理学中的重要作用,所以,必须加强物理的想像训练:

①训练空间想像力。

训练空间想像力,就是训练在头脑中形成有关问题的空间几何图象,包括明确物体的位置、物体间的相互位置关系,物体位置的变化情况、场在空间中的分布以及场随时间改变的情况,等等。

②训练形成物理图景和构想形象的能力。

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