“阻碍”思想在高中物理化学解题中的应用

张曦+徐孝裕

摘 要：高中作为物理化学知识启蒙的重要阶段，楞次定律、化学平衡等物理化学理论是其重要组成部分之一。通过对楞次定律、化学平衡等物理化学理论共同点的发散思考，可以总结出具有一定程度的普适性的物理、化学试题的巧解方法——“阻碍”的思想。同时，“阻碍”思想不仅可以方便解题，提高解题速度及正确率，也可以启发学生进行各学科知识的深入思考，有助于学生培养自我探索、分析总结、发散思维的优良习惯。

关键词：“阻碍”思想；高中物理化学；解题

中图分类号：G632.4

文献标识码：A

我们常常会遇到这样的现象：大风天里，迎风走路会倍加艰辛；在水中行走比在陆地上更辛苦；挂在壁墙上的石英钟电能耗尽时，秒针往往停在 “9”点的位置……对日常现象分析可知：迎风走路觉得艰难是因为风给人施加了阻力，对走路的行为产生了“阻碍”；在水中行走比陆地上更辛苦是因为水的阻力比空气大，给人的运动产生了“阻碍”；秒针往往停在“9”点的位置是由于在“9”点位置处重力矩的阻碍作用最大，对其转动产生了“阻碍”……由此看来，“阻碍”就是指对原有的运动或者变化趋势起抑制作用的一种现象，它体现在我们生活的方方面面。同时，我们可以将“阻碍”的思想灵活地发散运用到物理、化学等学科的学习中。

一、“阻碍”思想在高中物理电磁学中的应用

电磁学作为现代物理学的一个重要分支，在高中物理教育阶段中毫无疑问的是核心内容之一。该知识点既是学生解题的难点，也是考试的重点。在解答电磁学习题时，学生经常会遇到很多的困难，如若需要解决电磁学中的问题，往往最为基础的判断就是在相应的磁场中是否产生感应电流、安培力，并判断安培力的方向。

1.传统电磁学解法示例

如图1、图2所示，匀强电磁场垂直于纸面穿入或穿出，根据闭合线圈的运动方向判断线圈内感应电流及安培力的方向。

如图1，按课堂教学方法来看，匀强磁场垂直于紙面穿入，闭合线圈abcd以速度v向下进入磁场，此时分析闭合线圈穿越匀强磁场时安培力的方向，关键是分析线框进、出磁场时闭合线圈通过的磁场的变化。步骤一：闭合线圈进入磁场时，磁通量的变化使得闭合线圈中产生感应电流。根据右手定则，磁感线垂直穿过右手掌心，右手大拇指指向闭合线圈的运动方向，四指方向为感应电流的方向。则闭合线圈abcd中感应电流的方向为a→b；步骤二：根据左手定则，磁感线垂直穿过左手掌心，左手四指指向电流方向，大拇指方向为安培力的方向。因此可分析得到，闭合线圈ab边安培力的方向为向上。

如图2，匀强磁场垂直于纸面穿出，闭合线圈abcd以速度v向下穿出磁场。首先，根据右手定则判断出闭合线圈abcd中产生的感应电流方向为c→d；然后，根据左手定则分析得到闭合线圈cd边的安培力方向为向上。

将上述情形拓展，当匀强磁场垂直于纸面穿入（穿出），闭合线圈abcd以速度v向下穿出（进入）磁场时，闭合线圈cd（ab）边的安培力的方向也为向上。

2.传统电磁学解题方式的缺陷

由图1、图2可以看出，运用一般方法求安培力方向需左右手并用。在日常做题时，左右手并用可能并无太大影响，但在考试中就有很大的不同了。考试是一个争分夺秒的过程，每一分每一秒都相当重要，尤其在电磁学题目较多时，频繁更换左右手解题无疑会浪费部分考试时间。而且，左手定则与右手定则非常容易记混淆，若是对二者的使用情况不熟练，再加上考试给人带来的紧张情绪，学生在考试中可能会更加慌乱，以至于解题出现错误。因此，在保证正确性的基础上寻求快速高效的解题方法显得尤为必要。

3.运用“阻碍”思想巧解、快解电磁学基础问题

1834年，俄国物理学家海因里希·楞次在概括了大量实验事实的基础上，总结出一条判断感应电流方向的规律，称为楞次定律[1]。楞次定律告诉我们“来拒去留”的原理，简单地说也就是磁场对穿过磁场的物体总会产生“阻碍”作用。现在，我们用“阻碍”思想来考虑闭合线框穿越匀强磁场时闭合线圈进、出磁场时所受安培力的方向。如图1，磁场垂直于纸面穿入，闭合线圈abcd以速度v向下运动进入磁场，磁场总是会阻碍闭合线圈的运动，由于产生了“阻碍”，就必然会使闭合线圈速度为v、向下的运动受到一个向上的、且起到阻碍作用的力，而这个力即为所求的安培力。

如图2，磁场垂直于纸面穿出，闭合线圈abcd以速度v向下运动穿出磁场。运用 “阻碍”思想来看，磁场总会阻碍闭合线圈的运动，对其运动产生抑制，因此必然会对闭合线圈向下、速度为v的运动产生一个向上且起到阻碍作用的力，这个力的方向也即所求安培力的方向。再结合磁场方向改变、线圈位置改变的所有情况分析可得，无论磁场是否垂直于纸面，无论磁场穿入或者穿出纸面，也无论闭合线圈进入或者穿出磁场，磁场总是会阻碍其运动。由于产生了“阻碍”，必然会使闭合线圈向下的速度为v的运动产生一个向上的起到阻碍作用的安培力。

二、“阻碍”思想在高中化学平衡中的应用

在整个高中化学课程中，我们始终离不开对各种化学反应的学习。1988年，法国化学家勒夏特列发现的勒夏特列原理定性地预测了化学平衡点的原理[2]。该原理的具体内容为：如果改变可逆反应的条件（如浓度、压强、温度等），化学平衡就会被破坏，并向减弱这种改变的方向移动。也就是说，在平衡体系中，如果改变压强、浓度、温度等条件，平衡将向阻碍这种变化的方向移动。对它的理解主要在于“阻碍”。

以简单化学平衡为例：在某恒容容器中进行反应N2 + 3H2 2NH3，经过一段时间，反应达到平衡状态，假定平衡时NH3有0.05mol，现向容器中充入0.05molNH3，判断平衡移动的方向及重新达到化学平衡后NH3的物质的量。

在例题中，可逆反应已经达到了化学平衡，此时再新加入NH3，平衡将会阻碍NH3的增加，也就是说新的化学平衡将会向左移动。但同时，平衡只会“阻碍”氨气的增加，并不会扭转氨气增加的事实。最终氨气的物质的量不会达到0.10mol，但也不会低于0.05mol。

三、“阻碍”思想的进一步拓展

“阻碍”的思想不仅体现在电磁学、化学平衡中，还广泛地存在于各个学科专业。以高等教育《自动控制运原理》中的二阶系统的单位阶跃响应为例[3]。

闭环控制系统存在反馈作用，使得阶跃响应的控制过程出现震荡，并使得震荡的振幅随着时间不断衰减，使阶跃响应曲线不断趋近终值，最终使系统达到稳定状态。简单而言，二阶系统单位阶跃响应曲线的变化过程就是一个不断产生“阻碍”的过程。当阶跃曲线的值到达第一个峰值附近时，系统将会“阻碍”其进一步变化，上升曲线的斜率变小，最终成为下降曲线。当阶跃曲线到达第二个峰值附近时，系统将会“阻碍”其的进一步变化，斜率逐渐变大，最终成为上升曲线。不断产生的“阻碍”使得阶跃曲线的振幅逐渐减小，最终无限趋近终值。

由此看来，“阻碍”的思想无论是在高中学习过程中，还是在大学的学习过程中都存在着一定的通用性，只有深入研究每一个问题，善于总结不同方法的共同点，才能让我们的学习过程事半功倍。

参考文献：

[1]陈为友.著名物理学家和他的一个重大发现[M].济南：山东科学技术出版社，1998：114-116.

[2]尚仰震.物理化学[M].北京：高等教育出版社，1959：138-139.

[3]卢京潮.自动控制原理[M].北京：清华大学出版社，2013：58-72.endprint