简化科学思维 回归物理本真

张 鹤 柏露枝

(江苏省常州市北郊高级中学，江苏 常州 213031)

简化思维也可称为原点思维或起点思维,它是指从问题的原点或起点出发,通过分析与综合、推理与判断、比较与类比等思维方式,对问题进行研究的基本思维形式.简化思维既是物理核心素养的组成部分,也是研究物理问题的思维导向和探究物理、体悟物理、相约物理的心理动机．

1 从简而入,让探究更高效

科学探究与科学思维是物理核心素养的两个重要组成部分.科学探究和科学思维是互相支持、彼此融合、相互促进的统一整体．毋容置疑,科学探究能力包含科学思维能力,科学思维能力能够促进科学探究能力的提升,科学探究能力同时又能促进科学思维能力的提高．

实验探究是科学探究的重要方式,数据处理是实验探究的重要环节,图像法是处理实验数据的重要方法,图像法处理实验数据具有简便、直观、误差小的优点．而直线是最简单、最基本、最易确定的一种物理图像,曲线则是比较复杂、难以确定是什么曲线的一种物理图像,因此,基于简化思维,从简单入手,即通过一定的坐标变换建立最简单的直线图像,以此方便简捷地得出探究结论．在探究加速度与质量的关系实验中,实验中测出加速度和质量两个物理量,在a-M坐标系中描点连线得到如图1所示的图像,由于曲线的复杂性和多样性,该曲线是反比例函数的双曲线还是其它函数的双曲线则难以确定．因此,从简化思维出发,变换坐标尝试画出直线图像．首先通过对实验测定数据的考察发现,在力一定的条件下,物体的质量越大加速度越小．其次,根据a-M图像是曲线,可以肯定a-M2、a-M3…等的图像一定也是曲线．第三,要画出a-M-1、a-M-2…等图像,从最简单的坐标关系入手,画出a-M-1的坐标关系图像,通过描点、线段拟合得到一条过原点的直线如图2所示,从而得到加速度与质量的倒数成正比,即加速度与质量成反比的探究结论．同样在探究气体等温变化规律的实验中,用简化思维的思想也能够得到压强与体积成反比的探究结论．显然,用简化思维对实验数据处理,并从最简单、最基本的直线图像入手,能够使实验探究省时、省力、高效．

图1

图2

2 以简驭繁,让论据更充分

物理学是以动力学为基础,分别沿着从宏观到微观、从具体到抽象、从简单到复杂的线路发展起来的．应该说,宏观的物体、具体的现象、简单的理论是物理学发展的前提和基础．因此,从简单到复杂,化复杂为简单,用简单的理论解决复杂的问题,在物理学理论的发展过程中起到了重要作用．例如,微观分子热运动的理论是在宏观物体机械运动理论的基础上发展起来的；曲线运动的动力学理论是在直线运动动力学理论的基础上发展起来的；抽象复杂的电磁学理论是在具体简单的动力学理论的基础上发展起来的,等等．

基于从简单到复杂、化复杂为简单、再从简单到复杂的物理学研究逻辑,在物理学理论的发展以及在解决物理问题的过程中,“化曲为直、以直解曲”的物理思想方法发挥了极其重要的作用．

(1) 研究平抛运动.

平抛物体的运动是曲线运动的一种形式,而曲线运动是较直线运动更为复杂的一种运动形式,平抛运动位移和速度的研究,是在自由落体运动规律和匀速直线运动规律的基础上,以简化思维为向导,运用“化曲为直、以直解曲”的转化思想和运动合成与分解的物理学理论,将平抛运动分解为最简单的竖直方向的自由落体运动和水平方向的匀速直线运动,分别利用自由落体运动和匀速直线运动的规律求出这两个方向上的位移和速度,然后在将竖直方向和水平方向的位移和速度合成为曲线运动的位移和速度．

(2) 重力做功特点.

图3

重力对物体做功特点的研究,是在恒力做功计算公式W=Flcosθ的基础上,运用“化曲为直、以直解曲”的转化思想,将物体在空中运动的曲线分割为无数段很短的直线,如图3所示,对每小段直线用功的计算公式写出每小段直线上的重力做功,然后在将整个曲线上每小段直线上的重力做功相加,即可得到重力做功特点．

(3) 解决物理问题.

在我国南海上有一浮桶式波浪发电灯塔,其原理如图4所示.浮桶内的磁体通过支柱固定在暗礁上,浮桶内置圆形线圈随波浪相对磁体沿竖直方向运动,上下运动的速度v=0.4πsin(πt) m/s,且始终处于辐射磁场中．浮桶下部由内、外两密封圆筒构成(图乙中阴影部分),其内部为产生磁场的磁体,线圈匝数N=200匝,线圈所在处磁场的磁感应强度大小B=0.2 T,线圈直径D=0.4 m．计算时取π2的值为10．求线圈中产生感应电动势的最大值Em．

本题涉及模型建构,圆环曲线导体在辐射状磁场中做切割磁感线运动,用磁通量变化模型分析较为抽象和困难,若沿空间将圆环“剪断”并拉直成“直线”导体,导体所在位置处的磁场处处与导体垂直且大小相等.这个模型就变成了直线导体垂直切割匀强磁场磁感线模型,则线圈中产生感应电动势的最大值为Em=NBLvm，其中L为线圈拉直后切割磁感线的有效长度,代入数值后得Em=64 V.

“化曲为直”,用“直线”来研究和解决“曲线”问题,体现了用简捷了当的方法和规律处理复杂纷繁问题的简化思维,这种以简驭繁的简化思维,使科学论证,过程详实、论据充分．

图4

3 因陋就简,让物理更亲近

观察和实验是研究物理问题的基本方法．而鉴于不同学校实验条件的差异,如何对缺少成品实验器材的实验,在简化思维的意识下,用学生生活和学习中信手可得的简陋物品为器材,最大限度地发挥演示实验在课堂教学中的作用,对提高物理课堂教学效益具有重要意义．现举例说明.

(1) 用两个手指捏住物理课本静止不动,如图5所示,课本由于受重力的作用相对手指有向下运动趋势,其受到手指对它的静摩擦力方向竖直向上,然后让课本沿水平方向、竖直向上和向下方向,或者其他任意方向匀速运动,课本受到手指的静摩擦力方向始终竖直向上．这个现象说明静摩擦力的方向与物体运动的方向可以相同、可以相反、可以成任意角度．

(2) 取一段包扎商品用的聚丙烯塑料绳,从绳的一端将它撕成许多细长条,用一只手提着绳子的上端,另一只手(干燥、清洁、无汗渍)握着绳,由上而下迅速摩擦几下,细长条就会因带同种电荷排斥膨松而散开,把它靠近衣服会看到细长条被吸附到衣服上,如图6 所示．

图5 图6

用学生生活和学习中的简易物品做实验,既体现了生活是物理之源、观察是物理之眼的物理观,也体现了因陋就简的简化思维在物理教学中的运用;既拉近了物理与学生之间的距离,又增强了学生对物理的亲近感,从而激发学生物理学习兴趣和增强学生物理学习动力．

4 化繁为简,让近似更合理

理想化的方法是研究物理的基本方法,现实的客观物体、实际的物理过程、直观的实验现象都具有一定的多样性和复杂性．基于简化思维,在一定的条件下,可以忽略对研究问题影响甚小的次要因素,或者对影响实验现象相关因素的合理外推,以此对实际客体、过程和现象加以理想化,进而化繁为简,此乃发现物理理论的智慧之举．

试探电荷又叫检验电荷,是用来检验电场是否存在及其强弱分布情况的电荷.由于试探电荷的电荷量和体积都很小,其对被检验电场的影响可以忽略.试探电荷是一种理想化的物理模型,从而可以用试探电荷来检测电场的强弱,进而引入电场强度这一物理量来描述电场的强弱属性,以此提高人们对电场性质的认识,同时也为电磁学理论的建立和发展奠定了理论基础．

质点、点电荷、理想气体、自由落体运动、绝热过程等这些化复杂为简单的理想化物理模型,在物理学的研究和物理解题过程中,让研究更深入,让近似更合理．请看对下面一例的分析．

图7

真空中一个半径为R的均匀带电球面带有电荷量Q．今在球面上挖去非常小的一块面积ΔS(连同电荷),如图7所示,假设不影响其他处原来的电荷分布,求挖去小面积ΔS后球心处电场强度的大小．

挖去非常小的一块面积ΔS后,球面的形状由规则变为不规则,求这个不规则形状的均匀带电面在球心处的电场强度大小,直接从不规则带电面用中学物理知识难以求解,基于简化思维的思想,化繁为简是求解圆心处电场强度大小的唯一出路,因此求解此题的基本思路是,首先要把挖走的带电小面积ΔS取回重新将球面补完整．其次要考虑面积ΔS非常小(相对球面)这一条件,在这个条件下带电小面积可以看成是一个点电荷．第三要考虑由于对称性,完整带电球面球心处的电场强度一定为0．第四要考虑球心处的电场强度是带电小面积ΔS与挖去小面积ΔS后剩余部分带电面二者在该处产生的电场强度的叠加．因此,从简单的规则球面展开思维,将带电小面积ΔS看成点电荷,进而将复杂的问题转化为简单的问题,同时求解结果受带电小面积ΔS看成点电荷的影响很小,说明这种近似更为合理．

5 辞(式)简理博,让理解更深刻

物理学理论中,不论是物理定律的语言表述,还是物理定律的公式表达,都具有辞(式)简理博之特点,辞简理博意在“辞(式)”中有“理”、“简”中有“博”．鉴于简化思维不是化简思维,简化思维意在“简”中思维、“博”中思维,在“简博”思维中促进理解的深入和升华,进而在辞(式)简理博中,让思维更活跃、让理解更深刻．

在高中物理教材中,有3个物理定律的语言表述中出现了同一个字——“总”,分别是牛顿第一定律中的“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态”、牛顿第三定律中的“两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,作用在同一条直线上”、楞次定律中“即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化”,对这3个“总”的理解程度,分别影响着对这3个定律的理解程度,深入挖掘和深刻理解定律中“总”字隐含的物理意义,对理解这3个定律甚为重要．这里“总”字的文学含义是“一定,无论如何”,因此牛顿第一定律中“总”字的含义是:无论什么情况,无论什么条件,物体一定要保持匀速直线运动状态或静止状态,也即保持匀速直线运动状态或静止状态是由物体自身决定的,是物体自身固有的一种性质,与其他因素无关,这种性质就是惯性,也即这里的“总”字反映出物体的惯性之意．牛顿第三定律中“总”字的含义是:无论什么情况,无论什么条件,作用力和反作用力一定是大小相等,方向相反,作用在同一条直线上,作用力和反作用力的这种关系与其他一切因素无关．楞次定律中“总”字的含义是:无论什么情况,无论什么条件,感应电流的磁场一定要阻碍引起感应电流的磁通量的变化,也即这种阻碍不受任何条件影响．由此可见,每个定律中一个简单的“总”字不但附着较为深刻的物理含义,而且能够引发学生对物理定律的深刻理解．

总之,物理理论因“简”而奇、而美,物理思维因“简”而灵、而活,简化思维让人们与“理”相约、与“美”而遇．