高中物理动态平衡问题研究

江苏省响水中学(224600)

徐广飞●

高中物理动态平衡问题研究

江苏省响水中学(224600)

徐广飞●

物理过程的科学分析为成功解题奠定了基础，如何在复杂的物理过程中准确把握解题信息，取决于对状态信息的提取，正确挖掘物理问题中的特殊状态是成功解题的关键.高中物理过程相对复杂，包括平衡、非平衡以及临界状态等，研究对象所处状态与基本原理的合理对应是解决物理问题的纽带.动态平衡状态在高中物理过程中蕴含着多重量化信息，成功把握该状态对解题具有举足轻重的作用.

高中物理;动态平衡;力学方程

研究对象所处的状态决定了基本原理的应用，是成功求解物理问题的关键.动态平衡问题是高中物理中的特殊平衡状态，符合力学平衡方程，然而该状态对于大多学生而言把握相对困难，需要构建临界思维模式.物理思维的构建需要依托客观物理过程，课堂诱导的方向必须以提取有用信息为目的，因此动态平衡问题的学习也是解题信息的摄取过程，是获得定量关系的突破口.一般地，对物理教学中动态平衡问题的把握，更加考验学生微观思维的能力，要求学生对特定信息相对敏感，能够在短时间提取有用信息，进而列出具体的物理方程，定量求解.

二、高中物理中典型的动态平衡问题

动态平衡的应用基础在于对平衡状态的认识，只有在平衡状态下方可应用具体原理，进而将物理问题具体化.平衡状态的显著特征是研究对象满足受力平衡特征，因此具备明确的力学规律，从整个过程来看，动态平衡可能是某非平衡过程的过渡点，因此也是物理求解中的“临界点”或者“边界条件”.一般而言，这种特殊的平衡态具有连续性，以及该状态所体现的动力学特征具有连续性，是物体从一个状态向另一状态的过渡，因此该状态科学分析能够为物理求解提供更多的已知信息.

1.复合场中动态平衡问题求解

高中物理复合场问题是高考中的难点，涉及到多种场的共同作用，由于受力的复杂性，通常对该类问题的求解相对困难.然而，动态平衡状态往往是复合场问题的突破口，因为研究对象通常在多种场的共同作用下处于平衡状态，该状态下研究对象所处的位置特性随时间逐渐变化，亦即典型的动态平衡特征.

例1 质量为m的带电微粒在电场、磁场以及重力场中恰好做匀速圆周运动，其轨迹处于磁场的垂直面内，并且其圆周运动半径为R，试分析该带电微粒的电荷类型？现已知：电场与重力场方向竖直向下，电场强度为E，重力加速度为g；磁场方向垂直纸面向里，强度为B.

分析 首先该问题属于典型的复合场动态平衡问题，涉及到带电微粒的运动轨迹等.如上所述，动态平衡问题的关键在于准确把握该特殊状态的力学特性，“恰好”做圆周运动表明带电微粒在电场力、重力、洛伦兹力的共同作用下处于平衡状态，因此为了不使微粒竖直下落，必须存在竖直面内向上的力，并且该力与重力等大、反向、共线.显然，由于洛伦兹力与运动轨迹垂直，不能平衡重力在竖直方向的作用效果，能够提供重力的平衡力的只能是电场力，又已知电场方向竖直向下，据此可确定微粒的带电类型.

2.斜面问题中的动态平衡

斜面问题是高中物理中常见的物理模型，通常研究对象为置于斜面上的物体，其难点在于如何准确给出研究对象的受力情况.对于该问题的处理，同样应该在整合物理过程中寻求特殊“位置”，一般地，该类问题中的研究对象要么处于静止，要么匀速直线运动，显然对于这两种状态都能够较为容易的列出具体的物理学方程.因此其关键在于如何科学理解特殊状态，尤其对于动态平衡状态的科学判定.斜面模型而言，物体与斜面间是否存在摩擦力决定了受力情况的复杂性.然而其基本理念依旧是力学平衡方程的求解.

例2 如图2所示，质量为m的物体在倾角为θ的斜面上匀速下滑，已知物体与斜面间的动摩擦因数为μ，并且受到水平向右的推力F的作用，试列出该过程的平衡方程.

分析 “匀速下滑”是本题中唯一的动态平衡信息，匀速表明物体在垂直斜面方向与平行斜面方向上受到平衡力作用，因此可以具体列出平衡力方程.然而本题的关键在于目前已经明确物体沿斜面匀速下滑，亦即已经明确木块具有沿着斜面向下的运动行为，物体与斜面间滑动摩擦力的方向为沿斜面向上，因此沿斜面向上的力包括推理F的分力与滑动摩擦力，而沿斜面向下的力只有重力的分力，据此可列出定量方程.该题中已知物体匀速下滑，因此该动态平衡简化了物理问题，若题目表明该物体处于平衡状态，而并非一定沿斜面匀速下滑，该情况相对复杂，既包括动态平衡也包括静态平衡问题，尤其对于静止状态而言，虽然物体与斜面间无相对滑动，然而很可能存在沿斜面方向的运动趋势，因此处于平衡状态下必须对推力F存在限定条件.显然，动态平衡状态某种程度上可以简化物理模型，为具体原理的应用提供理论框架.

平衡问题是物理学问题求解的突破口，尤其在复杂物理模型中，寻找恰当的平衡点是成功解题的关键.动态平衡问题能够具体对应出研究对象所满足的物理原理，明确物体受力情形.通常复合场问题以及斜面问题的动态平衡点，能够帮助学者迅速找出力学关系，是成功解题的中枢纽带.

[1]刘奇煜. 高中物理力学综合题解题技巧探究[J]. 中学生数理化(尝试创新班), 2014(6).

[2] 张丹. 高中物理力学教学生活化策略探讨[J]. 经营管理者. 2016(27).

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