培养物理思维方法 提升解决问题能力

贵州 胡道成

物理思想方法是物理学发展过程中对物理知识、物理方法进一步概括而形成的关于物理学本质的深层认识。物理思想方法是物理学的精髓，学生唯有将习得的知识和方法提升至物理思想高度，才能促进自身能力的提高。教育部制定的《中国高考评价体系》把各学科“必备知识、关键能力、学科素养、核心价值”四个方面作为考查内容的理论支撑与实践指南，而物理学科核心素养之一是“物理观念”，“物理观念”是重要物理思想的结晶。“物理观念”的培育需要经历物理知识，物理方法，特别是物理思想教育这样一个循序渐进的提炼过程。物理思想方法主要包括以下内容：对称思想、守恒思想、可逆思想、等效思想、比较思想、转换思想、假说思想、相干思想、量子化思想和相对性思想。致力于培养学生的物理思想方法是形成物理观念、提升学生解决问题能力的有效途径。进入二轮复习阶段后，需要教师精心选取一些蕴含着物理思想而又具有“基础性、综合性、应用性、创新性”特征的典型例题，通过学生独立思考的过程，将习得的物理知识和物理方法与物理思想很好地融合，达到真正盘活知识、技能、能力、思想方法的复习效果，这是提升学生解决问题能力的关键。

一、利用“对称思想”，实现简便解题

物理学中的对称现象比比皆是，对称的结构、对称的作用、对称的电路、对称的物和像等。对称通常表现为研究对象在结构上的对称性、物理过程在时间和空间上的对称性、物理量在分布上的对称性及作用效果的对称性等。对称性在高考命题中有较多的渗透和体现，意在考查学生的直觉思维能力和猜想推理能力，有利于教学过程中注重培养学生的学科素养和美学素养。作为一种重要的物理思想方法，相信在今后的高考命题中必将有所体现。

图1

【例1】(2020年全国卷Ⅱ第20题)如图1所示，竖直面内一绝缘细圆环的上、下半圆分别均匀分布着等量异种电荷。a、b为圆环水平直径上的两个点，c、d为竖直直径上的两个点，它们与圆心的距离均相等。则

( )

A.a、b两点的场强相等 B.a、b两点的电势相等

C.c、d两点的场强相等 D.c、d两点的电势相等

图2

【解析】画出圆环电场线分布的剖面图如图2所示，根据对称性可知，图中的a、b两点的电场线疏密程度相同，电场强度大小相等，方向都是沿该点的切线竖直向下，即a、b两点的场强相等，A选项正确；a、b两点关于圆环的竖直直径对称，所以a、b两点的电势相等，B选项正确；c、d两点关于圆环的水平直径对称，电场线的疏密程度相同，即电场强度大小相等，方向均为竖直向下，故c、d两点的场强相等，C选项正确；c、d两点在同一电场线上，而沿着电场线方向电势降低，所以φc>φd，D选项错误。

二、利用“守恒思想”，打开解题思路

守恒思想最早是从物质不灭、运动永恒的说法萌芽的，它是物质观念、能量观念、运动与相互作用观念的具体体现。守恒是指在事物的发展变化过程中，某一些量的各个部分在发生变化，而其总和始终保持不变。守恒是人们在科学研究过程中对自然本质的一种认识、一种反映形式。高中物理中的守恒定律有：电荷守恒定律、质量守恒定律、动量守恒定律、能量转化与守恒定律。守恒思想以及作为其具体体现的守恒定律在高考中是一个重要的考查内容。

【例2】(2020年全国卷Ⅲ第15题)甲、乙两个物块在光滑水平桌面上沿同一直线运动，甲追上乙，并与乙发生碰撞，碰撞前后甲、乙的速度随时间的变化如图3中实线所示。已知甲的质量为1 kg，则碰撞过程两物块损失的机械能为

( )

图3

A.3 J B.4 J C.5 J D.6 J

三、运用“可逆思想”，使解题柳暗花明

可逆思想是基于物质运动在一定条件下具有可逆性，即在时间和空间上，有些物理规律具有不变的特性，从而可以进行思路转换。由正向过程转换到逆向过程，利用逆向思维进行分析，可能会使正向受阻的问题峰回路转，柳暗花明。常见的有运动的可逆性和光路的可逆性。

图4

( )

四、利用“等效思想”，优化解题途径

等效思想是指从事物间的等同效果出发，在解决问题的过程中，对研究对象、过程、结构、功能等进行变换处理的一种思想方法。在等效变换过程中，关键在于保持某些特定方面的效果相同，具体问题具体分析，从不同的角度去建立和寻找其中的等效关系，更加清晰地把握问题的实质，方便找到解决问题的途径。常见的有等效电容、等效电阻、等效劲度系数、等效重力加速度、等效单摆、等效电源、合力与分力、合运动与分运动、交变电流有效值等，熟练地掌握等效的方法并熟练应用，体会物理等效思想的内涵至关重要。

图5

【例4】(2020年全国卷Ⅲ第17题)如图5所示，悬挂甲物体的细线拴牢在一不可伸长的轻质细绳上O点处；绳的一端固定在墙上，另一端通过光滑定滑轮与物体乙相连。甲、乙两物体质量相等。系统平衡时，O点两侧绳与竖直方向的夹角分别为α和β。若α=70°，则β等于

( )

A.45° B.55° C.60° D.70°

图6

【解析】设甲、乙两物体的质量均为m，则重力均为mg，以结点O为研究对象进行受力分析，可知此题属于典型的三力平衡问题，必有“任何两个力的合力与第三个力等大反向”的特点，以甲、乙两个物体对结点O的拉力(大小均等于重力mg)为临边作平行四边形，其对角线表示两拉力等效的合力F合，如图6所示，根据几何关系很容易得出两个拉力的夹角为110°，于是β=55°，B选项正确。

五、运用“比较思想”，提升模型建构能力

我们认识一切客观事物都可以通过比较来实现。物理模型是一种理想化的物理形态，将实际情境中复杂的问题抽象为理想模型，是研究物理问题的基本方法，这个过程就是“模型构建”，需要利用抽象化、理想化、简化及类比等科学思维方法把研究对象的物理学本质特征突显出来，通过分析、判断、比较，画出过程图等思维过程，才能得出清晰的物理情境，从而建立正确合理的物理模型，把陌生问题通过类比转化成熟悉的常规物理模型，然后结合模型寻找解题方法。在高考命题体现“应用性”的背景下，与生活实践、体育运动和国家科技领域重大成就相关的问题情境成为命题素材的热点，而解决这类问题的关键就是要善于提取物理信息，充分利用比较思想来建立正确的物理模型。

【例5】(2018年浙江选考题)小明在观察如图7所示的沙子堆积时，发现沙子会自然堆积成圆锥体，且不断堆积的过程中，材料相同的沙子自然堆积成的圆锥体的最大底角都是相同的。小明测出这堆沙子的底部周长为31.4 m，利用物理知识测得沙子之间的动摩擦因数为0.5，估算出这堆沙的体积最接近

( )

图7

A.60 m3B.200 m3C.250 m3D.500 m3

【解析】随着沙子不断堆积，达到某一高度后，沙子就会沿着斜面下滑，通过比较可以建构出如图8所示的标准圆锥体模型，设圆锥高度为h，底面圆半径为r，最大底角为θ，沙子之间的动摩擦因数为μ，某粒沙子的质量为m。

图8

六、运用“假说思想”，提升推理论证能力

“一切科学都始于假说”高度概括了假说思想在物理学发展过程中的重要意义。而假设法是在假说思想指导下以科学事实为基础，形成的对研究对象、物理过程、物理结论进行合理的假设，然后根据物理规律进行分析、讨论和计算，得到对假设肯定或否定的结论，使问题得以解决的解题方法。通过这种训练可以提升学生的推理论证能力。

【例6】(2020年山东模拟卷)如图9所示，不可伸长的轻质细线下方悬挂一可视为质点的小球，另一端固定在竖直光滑墙面上的O点。开始时，小球静止于A点，现给小球一水平向右的初速度，使其恰好能在竖直平面内绕O点做圆周运动。垂直于墙面的钉子N位于过O点竖直线的左侧，ON与OA的夹角为θ(0<θ<π)，且细线遇到钉子后，小球绕钉子在竖直平面内做圆周运动，当小球运动到钉子正下方时，细线刚好被拉断。已知小球的质量为m，细线的长度为L，细线能够承受的最大拉力为7mg，g为重力加速度大小。

图9

(1)求小球初速度的大小v0；

(2)求小球绕钉子做圆周运动的半径r与θ的关系式；

(3)在细线被拉断后，小球继续向前运动，试判断它能否通过A点。若能，请求出细线被拉断时θ的值；若不能，请通过计算说明理由。

(2)以N为圆心，设最低点为M，小球在最低点的速度为v，根据牛顿第二定律，有

小球从A到M的运动过程中，根据动能定理可知

其中Δh=L-r-(L-r)cosθ

(3)细线被拉断后，小球将做平抛运动，如图10所示，假设小球能够通过A点，则

图10

水平方向(L-r)sinθ=vt

因为在数学上cosθ∈[-1，1]，显然能使小球通过A点的θ角是不存在的，所以，假设不能成立，也就是小球不能通过A点。

总之，物理知识是基础，方法是手段，思想是深化。物理思想和方法是物理知识在更高层次的抽象和概括，它蕴含在物理知识的发生、发展和应用过程中，只能通过引导学生去领会、运用后才能逐渐感悟、掌握。二轮备考复习单靠题海战术的盲目操练很难取得实效，需要通过物理思想方法的显化教育来促进学生对知识的掌握、方法的操练、思想的领悟，才能用物理思维启迪学生的智慧，从而提高思维水平，增强学生对高中物理的深刻理解与灵活运用能力，只有这样才能真正提高物理解题能力。

本文系2019年贵州教育科学规划立项课题“核心素养视域下高中学生物理能力培养的实践研究”(编号：2019B025)的阶段性成果。