例谈物理教学中物理方法的渗透

张江宁

(江苏省锡山高级中学,江苏 无锡 214174)

什么是物理方法？物理方法就是物理学家认知的方法，简单说就是物理学家怎么“做事”.[1]20世纪20年代，通过数学计算，发现物质在β衰变过程有一部分能量失踪了，当时有人提出，β衰变过程中能量守恒定律失效.然而，泡利坚持能量是守恒的，提出是一种新的粒子——中微子带走了这部分能量.可见，坚持正确的物理观念、运用科学的物理方法对科学发现具有极其重要的意义.但是，在实际物理教学中，忽视物理方法的现象还是普遍存在的，例如，把做实验变为讲实验，不仅学生的实验能力没有得到发展，连通过实验探究物理规律的意识都会被扼杀.再如，把数学的逻辑思维等同于物理的科学思维，导致的结果是学生更倾向于用数学的方法来解决物理问题，首先想到的往往是列方程求解，对解的物理意义反而不够关注.

下面以一道在多地高考模拟考试中出现过、且受到热议的物理选择题为例来说明我们应该如何抓住物理方法教育的机会.

图1

例1.如图1所示，两半径为R的圆环A、B上均匀分布相同的正电荷Q，x轴垂直于环面且过两圆环圆心O1和O2，P为O1和O2的中点，下列说法正确的是

(A)P点的电场强度为0.

(B)O1点的电场强度为0.

(C)O1的电势一定等于O2点的电势.

(D) 从O1点沿x轴到O2点，电势一定先降低后升高.[2]

笔者参考了多地不同年份的模拟试卷，给出的参考答案均为(A)、(C)、(D).在同行们热议的过程中，发现正确选项应该是(A)、(C)，(D)选项是错误的，并且针对(D)选项，运用数学方法得出从O1点沿x轴到O2点电势变化的规律.那么，命题者为什么会给出这一错误答案？为什么大多数教师都没有怀疑答案的正确性？为什么习惯于运用复杂的数学方法而不是简单的物理方法？根本原因还是物理方法教育在物理教学并没有得到应有的重视.

1 引导学生通过类比法进行细节的比较

运用类比法，我们应该同时注意两方面的问题，一方面要引导学生将相似的物理问题进行归类，应用相同的物理模型来解决不同的问题，起到举一反三、融会贯通的效果，从而避免题海战的发生；另一方面也要引导学生从相近的问题中比较出不同的细节，以免错用物理模型，从而避免机械地套用模型.该题给出错误答案的原因就是轻易选择了不正确的物理模型.

笔者在与教师的交流中发现之所以认为(D)选项正确，原来是物理模型选用错误，而选错模型的主要原因是仅仅进行了浅层的类比，没有进行细节的比较，直接应用等量同种电荷的连线上电势的分布规律给出了答案.这种草率的方法，不仅是一道题目答案的正确与否的问题，而是我们又错过了一次引导学生正确应用物理方法分析问题的机会.

图2

在进行该题的讲评时，只要我们对学生进行追问：该题中O1、O2之间电势的分布真的与等量同种电荷的连线上电势的分布规律相同吗？在教师的启发下，大多数学生都会发现是不一样的，并且能够画出图2所示的等量同种(正)电荷的连线上电势分布的图像.其特点是，从理论上说，只要无限接近两个点电荷，电势就逐渐趋向无穷大.而该题的x轴与两圆环上每一点的距离至少为R，x轴上各点的电势是两个圆环的电荷所产生的电场的电势的代数和，这也是数学建模的依据.那么，从O1沿x轴到O2的电势到底如何变化呢？能不能通过简洁的物理方法作出判断呢？

2 引导学生通过等效替代法选用正确的物理模型

我们不妨设计这样一个问题：一半径为R的圆环上均匀分布正电荷Q，其圆心处的电势为φ1.在距离一个电荷量也为Q的孤立的正点电荷R处的电势为φ2.则φ1、φ2哪个大？

在教师的引导下，学生对两个电场进行比较分析，应该能够认识到点电荷的电场中某点的电势是由点电荷的电荷量和该点到点电荷的距离决定的，圆环可以分解为无数个点电荷，而圆心到圆环上每一点的距离均为R，电势是标量，所以不难得出φ1=φ2.在此基础上，再进一步分析，会认识到垂直于环面且过圆环圆心的轴线上的电势分布与距离点电荷距离为R的直线上的电势分布规律是相同的.这时，再把学生的思维引向原题中的双带电圆环，学生一定会豁然开朗，发现与两个等量的同种点电荷的连线平行的直线上电势的分布与原题中x轴线上的电势的分布规律是一样的.这样通过等效替代法将问题转化如下.

图3

例2.如图3所示，O1、O2处各放一个电荷量均为+Q的点电荷，x轴平行于直线O1O2，且与直线O1O2的距离为R，A、B为x轴上的两点，且O1A、O2B均与x轴垂直，则在x轴上从A点到B点的电势如何变化？

图4

问题转化后，分析两个点电荷电场的电势变化要简单得多.要判断沿x方向电势如何变化，就要看电场强度在x方向的分量Ex的方向，电势沿着Ex方向降低.学生不难画出两个点电荷分别在A点产生的电场强度E1和E2(如图4)，只有E2在x方向有分量，且沿-x方向，由此可以判断从A点起沿x方向的电势至少在开始的一小段距离是升高的.至此，可以判断原题中的(D)选项是错误的，如果仅从解题的角度，该题在应用类比法、等效替代法、物理模型法与矢量叠加法后已经得到解决.但是，如果将原题的(D)选项改为“从O1点沿x轴到O2点，电势一定先升高后降低”是不是就正确呢？

3 引导学生通过极端条件法判断物理问题的多种可能性

超导是在极低温度下发现的，核聚变在极高温下才能发生，很多神奇的物理现象都是在极端条件下发现的．极端条件往往也是认知的边界，突破这个边界就可能有惊喜的发现.我们在教学中也要善于引导学生去探索物理问题的边界条件.那么可能影响从A点到B点的电势变化规律的边界在哪里？当一筹莫展时，那就将边界推向两个极端，图3所示的x轴的一个边界是与两个点电荷无限接近，一个边界是与两个点电荷的距离非常远.

当x轴与两个点电荷无限接近时，x轴上AB这一段就无限接近两个点电荷的连线，而两个电荷的连线的中点电势是最低的(图2中的最低点).前面已经从图4判断出从A点起沿x方向开始的一段电势肯定是升高的，所以，当x轴与两个点电荷比较近的条件下，A点到B点的电势应该先升高再降低再升高再降低.

当x轴与两个点电荷的距离很远时，即x轴与两个点电荷的距离远大于两点电荷间的距离，在如此远的距离上，两个点电荷已经近到几乎可以看成一个点电荷，因此，经过此处的等势面已经非常接近球面了.在我们所研究的平面内的等势线就接近圆，AB就相当于这个圆的一条割线，从A点到B点的电势必然是先升高后降低.

通过以上物理方法的运用，最终得出从O1点沿x轴到O2点的电势变化情况为：在两圆环间距离一定的情况下，当圆环的半径比较小时，从O1点沿x轴到O2点的电势先升高再降低再升高再降低；当圆环的半径比较大时，从O1点沿x轴到O2点的电势先升高后降低.

物理教学中重视物理方法的渗透能够促进学生从物理学的视角认识、分析与解决问题，从而加深对物理概念与物理规律的理解，形成正确的物理观念，并在物理方法的运用过程中使物理思维能力得到锻炼.作为物理教师，应该善于从普通物理问题中挖掘所蕴含的物理方法，寻找物理方法教育的机会，才能使物理学科核心素养的培养落到实处.