浅谈物理过程的分析
编辑/作者:陈堂广        发布时间:2011-03-08      阅读:5045
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摘要:正确分析物理过程是解决物理问题的关键,物理过程分析的正确与否,直接关系到物理问题解决的成败,本文主要阐述正确分析物理过程应注意的六个问题。
关键词:物理过程 重要环节 物理问题  分析
经常听学生说,解物理题时,遇到许多题没有思路。特别是在练习中遇到新模型时感到陌生棘手,其障碍在于他们只重视结果、忽视了物理过程的分析。对物理过程的分析,就是将一个复杂的物理过程经过人脑的思维整理,分解成几个简单的有规律的子过程,并找出几个子过程之间的相互联系和制约条件.通过这种分析,应使学生能在头脑里形成一个生动而清晰的物理情景,找到解决问题的简捷办法.对物理过程的分析,其本身也是培养学生思维能力、分析问题能力的有效途径.
近来的高考试题明显由“知识型”向“能力型”转变,考试说明中提出了对学生理解能力、推理能力、设计和完成实验的能力、获取知识的能力、分析综合能力的明确要求。正确而准确地分析物理过程是培养学生五种能力特别是分析综合能力的一个重要途径。学生经常在解综合问题时无从下手,找不到问题的突破口,重要原因就是对物理过程的分析不清楚,也大大降低了解题的准确程度。如何正确分析物理过程呢?下面谈谈物理过程分析要注意的几点:
一、正确的理解物理过程中涉及的概念
因为任何物理过程都必须借助于一系列的物理概念才能描述清楚,所以在对物理过程进行分析时,首先要对描述物理过程的物理概念作出正确的理解和准确的把握。
例:一个自由下落的物体,前3s内下落的位移是第3s内下落位移的多少倍?
解析:正确理解“前3s内”和“第3s内”是解决本题的关键。“前3s内”指的是从静止开始下落,下落的时间为3s;而“第3s内”指的是第3个1s。再结合匀变速直线运动的规律即可得出答案。
由此例可见,由于过程必须要用概念来描述,所以准确把握概念的物理意义是正确分析物理过程的先决条件。
二、合理划分物理过程
一个较为复杂的物理过程,往往是由几个不同的阶段连接而成。由于组成整个过程的各个阶段具备不同的特征,遵循不同的规律,因此对这类过程的分析,一般需要首先把各个阶段作出合理的划分,以便在各个不同的阶段中运用不同的规律去反映其不同的特征,从而把整个物理过程分析得清晰、透彻。
例:小球以15m/s的初速度滚上一斜面,获得加速度大小为3cm/s2,问8s内小球的位移是多少?
解析:对于此例,如能仔细分析、想象出小球是沿斜面匀减速上滚到最高点后,又沿斜面下滚,应将整个过程分为向上的匀减速直线运动和向下的匀加速直线运动两个过程,在解题中的错误就会大大减少,而不至于直接死套公式造成错误。
对那些涉及到教多知识的综合题,如果不想象出其全部的物理过程,解题时就会感到无从下手,或者出现挂东漏西的现象。所以,要对由具备不同特征,遵循不同规律的不同阶段所组成的较为复杂的物理过程作出正确的分析,首要问题是对过程作出合理的划分。
三、把握过程中的物理状态
任何物理过程都是由无数个物理状态有序地组合而成的,但对于某一个特定的物理过程来说,往往就是其中的几个状态(通常是所谓的临界状态,或者是构成整个过程的各个阶段的交界状态)最为关键,把握住这些关键状态,对于物理过程的分析来说,是极其重要的。
例:如图所示,导体棒a质量为m,从h高处静止沿光滑的平行轨道下滑轨道水平部分处于竖直向下的匀强磁场中,磁感应强度为B,水平轨道放另一导体棒b,已知a、b两棒质量之比为2:1,求:①若两棒始终没有接触,求它们的最终速度(轨道足够长);②在上述过程中,两棒放出的热量是多少?(轨道电阻不计)
解析:本题的物理过程分析要结合电磁感应现象,当a棒进入磁场后,切割磁感线产生感应电流,受到向左的安培力,做减速运动,同时b受到向右的安培力向右做加速运动,临界条件是当a、b速度相等时,回路中感应电流为零,此后两棒共同匀速运动,再由能量守恒定律即可求出产生的热量
关键的状态对过程的发展、变化起着关键的作用,所以准确把握关键的状态,对物理过程的分析是至关重要的。
四、了解物理过程中的特征
对物理过程的分析,最终目的是要求把握住过程中量与量间的变化关系,不同的物理过程,在过程的发生和发展阶段中的一些不同的特征,一般也将会显现到量与量间的关系上来。因此,在过程的分析中,了解量化物理过程的物理量间变化关系的特征,是了解过程变化趋势的一个突破口。
例:对于分子势能与分子力间的关系,下列说法中正确的(  )
A、分子力表现为斥力时,分子力越大,分子势能就越大;
B、分子力表现为斥力时,分子力越大,分子势能就越小;
C、分子力表现为引力时,分子力越大,分子势能就越大;
D、分子力表现为引力时,分子力越大,分子势能就越小 ;
解析:分子力f随分子间距r的变化关系以及分子势能Ep随分子间距r的变化关系分别可由右图a、b两图来描绘。由图可见:在分子力表现为斥力的过程中(r<r 0)由于“f随r单调减小”、“Ep随r单调减小”,因此可以得到“分子力表现为斥力时,E p随f单调增大”的判断,据此不难从A、B两个选项中选出正确选项为A;在分子力表现为引力的过程中(r>r 0)。由于“f随r不是单调变化”、Ep随r单调增大”因此又可得到“分子力表现为引力时,E p随f不是单调变化”的判断,据此又可得C、D两个选项均是错误的。所以此例的正确答案是A。
因为物理量间变化关系的特征能定量反映物理过程的特征,所以,将了解物理量间变化关系的特征,作为了解物理过程的变化趋势的突破口,是物理过程分析中的重要的环节。
五、建立物理过程中的模型
因为任何物理过程都是由具体的物理模型所参与、经历的,所以,每一个物理过程一般都或多或少地带有一些参与和经历该过程的模型的特征。因而在物理过程的分析中,有意识地关注相关物理模型的特征,无疑对了解和把握过程是大有裨益的。
例:有一跳水运动员从离水平10米高的平台上向上跃起,举双臂直体离开地面,此时重心位于从手到脚全长的中点,跃起后重心能升高0.45米达到最高点,落水时身体竖直,手先入水(在此过程中运动员水平方向的运动可忽略不记)。从离开跳台到手触水面,他可用于完成空中动作的时间是多少?
解析:首先把结构复杂的人体抽象成一个质点,其次忽略运动员在水平方向的运动,那么跳水运动员跳水过程就可以看成竖直上抛过程,即可用相应的物理规律进行解答
由于参与和经历物理过程的物理模型的特征,一般将影响着物理过程的发生、发展、变化,所以在物理过程的分析中,有意识地关注到参与和经历该过程的物理模型的特征,是十分必要的。
六、理解物理过程的本质
一个具体的物理过程中,会表现出怎样的特征,会受到怎样的物理规律的制约、量化物理过程的物理量间又会表现出来怎样的一种关系等等,这一切实质上都将由该过程的物理本质所决定。因此,对物理过程的最为彻底的分析,就是最终认清并理解决定着该过程的一切的物理本质。
例:如右图所示的LC振荡电路的振荡周期为2秒,当把流过P点的电流的参考正方向取向右为正时,流过P点的电流随时间的变化规律为: i=Imsinωt安(lm>0),于是下列关于电容器上极板所带电的性质及所带电量的变化情况的各种说法中,正确的有( )
A、 在0.5秒~1秒内,电容器上极板带正电;
B、 在0.5秒~1秒内,电容器上极板带负电;
C、 在1秒~1.5秒内,电容器极板上电荷逐渐增多;
D、 在1秒~1.5秒内,电容器极板上电荷逐渐减少。
错解:因为在0.5秒-1秒内,流过P点的电流i>0且逐渐减弱,由电流强度定义式I=q/t知,电容器极板上电量逐渐减少,考虑到这段时间内电流从电容器上极板流出且电容极板上电荷逐渐减少,所以这段时间内电容器上极板带的是正电;而在1秒~1.5秒内,考虑到流过P点的电流逐渐增强,同样由电流强度定义式知,电容器极板上电荷逐渐增多。于是,此例选A、C。
错因分析:上述解答错误的原因除了对电流强度定义式的认识上出现了偏差外,最关键的就是没能把握住LC振荡过程中的物理本质。LC回路中的电磁振荡过程,从表象上看,实际上是电容器C通过电感线圈L的充放电过程;但从其物理本质上讲,实质上是电场能与磁场能间通过充放电的形式相互转化的过程。既然过程的本质是能量转化,那么在能量转化时就应受到“能的转化与守恒定律”的制约,即当电场能变多(少)时,磁场能必变少(多);电场能最多(少)时;磁场能应最少(多)。而分别与电场能和磁场能相关的两组物理量间也将受到类似的制约:一组量变大(小)时,另一组量必变小(大);一组量最大(小)时,另一组量应最小(大)。
正解:流过P点的电流随时间变化曲线如右图所示,由右图可见,在0.5秒~1秒内,电流逐渐减弱,而电流是与磁场能相关的物理量,于是这段时间内磁场能在减少,电场能在增加,与电场能相关的电容器极板上的电量在增加,同时考虑到i>0,电流实际方向与参考正方向同,所以在这段时间内电容器上极板带的是负电荷;与此类似,在1秒~1.5秒内,我们也不难从电流逐渐增强进一步推断出磁场能在增加,电场能在减少,与电场能相关的电容器极板上电量在逐渐减少的正确结论。由此可知,此例的正确答案应选B、D。
由于物理过程的物理本质直接决定着过程的特征及过程所遵循的规律,所以在物理过程的分析中,揭示出其物理本质以及对所揭示出的物理本质作出准确的理解,就是十分重要的了。
从以上几个具体问题解决的过程中,我们清楚地看到,学习的过程中我们应重视对物理过程的分析,从而提高分析问题解决问题的能力,提高物理素养。物理学的魅力也在于此。


(本文荣获2009年海南省物理学科教学论文评选二等奖)