物理中的科学思维方法(高中)

物理中的科学思维方法

对同一个物理问题，采用不同的方法来解决，其繁简程度可能会有很大的区别。如果遵循一定的科学思维方法，掌握正确的研究物理问题的思路，则会收到事半功倍的效果。下面就通过对一些典型问题的分析，介绍物理模型法、对称法、等效法、逆向法和极端思维法等常用的基本科学思维方法。

1、物理模型法

物理模型是一种理想化的物理形态，是物理知识的一种直观表现。模型思维法是对研究对象加以简化和纯化，突出主要因素、忽略次要因素，从而来研究、处理物理问题的一种思维方法。从本质上讲，分析和解决物理问题的过程，就是构建物理模型的过程，我们平时所说的解题时应“明确物理过程”、“在头脑中建立一幅清晰的物理图景”，其实就是指构建物理模型。

物理模型一般可分为两大类，即实物模型和过程模型。实物模型大致上有：质点、单摆、理想气体、点电荷、电阻、匀强电场、匀强磁场等等；过程模型大致上有：匀速直线运动、匀加速直线运动、竖直上抛运动、平抛运动、圆周运动、简谐振动、等温过程、等容过程、等压过程、电磁感应现象等等。在实际运用中，过程模型使用更多。

*例1：如图所示，竖直放置的平行金属板，两板间距为0.1米，极板间电势差为103伏，一个质量为0.2克、带电量为10－7库的小球用0.01米长的绝缘线悬挂于O 点。现将小球拉到与绝缘线呈水平位置的A 点后放开，小球运动到O 点正下方的B 点时线突然断开，以后小球恰能通过B 点正下方的C 点。求BC 间的距离。（g ＝10米/秒2）

解析：带电小球从A 点开始作圆周运动到B 点，用动能定理可得它过B 点时的水平速度v ，即：mgL －qUL/d＝mv 2/2，线断后，它在水平方向作匀减速运动，可得运动时间t ，即：t ＝2v/a＝2vdm/qu，同时，它在竖直方向作自由落体运动，可的：H BC ＝gt 2/2＝g(2vdm)2/2(qU)2，代入数据，即得H BC ＝0.08米。

点评：本题中小球从B 到C 的运动是曲线运动，把它分解后，即可运用匀变速运动的过程模型来求解。

2、对称法

对称法是从对称性的角度研究、处理物理问题的一种思维方法，有时间和空间上的对称。它表明物理规律在某种变换下具有不变的性质。用这种思维方法来处理问题可以开拓思路，使复杂问题的解决变得简捷。如，一个做匀减速直线运动的物体在至运动停止的过程中，根据运动的对称性，从时间上的反演，就能看作是一个初速度为零的匀加速直线运动，于是便可

将初速度为零的匀加速直线运动的规律和特点，用于处理末速度为零的匀减速运动，从而简化解题过程。

*例2：将一个小球从离开竖直墙壁40米处地面上的A 点，以初速v 0斜向上抛出，要使它水平击中墙上20米高处的B 点，求v 0的大小和方向。

解析：该问题可以利用小球运动在空间上的对称性来解决，即可以设想小球从墙上的B 点以某一初速v 水平抛出，它能击中地面上的A 点。从已知条件即可很方便地求得v ，再去求斜抛运动的初速v 0。

点评：物质世界中存在着许多对称的现象，如：单摆振动时，摆球在竖直线左右两侧的运动是完全对称的；通电直导线周围的磁场分布是关于导线对称的，等等。客观现象的对称性也必然会在物理规律中反映出来。我们要做的只不过是把它们找出来。

3、等效法

等效法是从效果等价的角度把复杂的物理现象、物理过程转化为简单的现象、过程，从而来研究和处理物理问题的一种思维方法，它是物理学研究的一种重要方法。在中学物理中，合力和分力、合运动和分运动、电路中的等效问题以及平均值、有效值等概念都是根据等效的观点来引入的。它对灵活运用知识、促使知识、技能和能力的迁移，都有很大的帮助。 大多物理概念的建立，可以说是运用某种等效思维方法研究物理问题的结果。如平均值概念的引出，是将某个变量等效地看作常量。这样，就把一个某特征量变化的问题等效成该特征量保持“恒定不变”的问题。

例3：如图所示，电路中的E 、r 、R 1、R 2都未知，当在它的输出端a 、b 间接一个电阻R x 时，测得通过R x 的电流情况如下：当R x ＝R x1＝10欧时，I x ＝I x1＝1安；当R x ＝R x2＝18欧时，I x ＝I x2＝0.6安。试问接入的电阻R x （设为R x3）取多大的值时，I x 为0.1安？

解析：因为电路中的E 、r 、R 1、R 2虽然都是未知的，但它们也是确定的，变化的只是a 、b 两点右边的电阻，从而引起I x 的变化。所以我们可以把a 、b 两点的左边电路等效为一个新的电源，（注）其电动势为E ，内电阻为r ，通过已知条件，可以求得E ＝12伏，r ＝2欧，再根据闭合电路欧姆定律，求得当R x3＝118欧时，I x3＝0.1安。（注：经严格的证明在上述情况下可以等效为一个新的电源）

点评：电路中的等效问题是很常见的，如等效电阻、等效电路，在一些特定的情况下，电源也是可以用等效法的思路来解决。

4、逆向思维法

逆向思维法是在解决问题的过程中有意识地去做跟一般顺向（正向）思维方向（由头至尾、‘’‘‘

由此及彼、由因到果等）相反的探索，即从跟常规顺向思维相反的方向（由尾至头、由彼及此、由果到因）去研究、处理物理问题的一种思维方法。它是属于具有创造性的一种思维方法，运用它往往能使我们另辟蹊径，有效地找到解决问题的钥匙。在中学物理中，常常涉及到的逆向思维的依据有：运动形式的可逆性、时间反演的可逆性、力的合成与分解的可逆性、高中物理涉及的热学过程的可逆性等等。

例4、将某种材料的长方体锯成A 、B 、C 三个物体，然后再对拼在一起放在光滑水平面上，如图所示。已知m A ＝m B ＝1千克，m C ＝2千克。现用8牛的力F 从正面推C ，使得A 、B 、C 组成的长方体保持矩形的整体沿力的方向平动。试求运动中B 与C 间的静摩擦力的大小和方向。

解析：将A 、B 、C 视为整体，应用牛顿第二定律，得整体的加速度为a ＝F/（m A ＋m B ＋m C ）＝2米/秒2。选B 为研究对象，它只受到C 对它的作用力，其大小为：F CB ＝m B a ＝4牛，方向与B 、C 接触面成60°。按正交分解方法，不难得B 、C 间静摩擦力大小为f CB ＝F CB cos600＝2牛，其方向与F CB 成60°。

点评：这里利用了力的合成与分解的可逆性来解题。由于把问题情景倒过来进行思考，求解摩擦力就显得方便了。

5、极端思维法

极限思维法是将问题推向极端状态进行分析或借助数学手段求取物理量极值的一种研究、处理物理问题的思维方法。这种方法对分析、综合能力和应用数学工具解决物理问题的能力要求较高，一旦运用得恰当，能简化问题的中间过程，加快分析、解决问题的速度。其运用既是教学中的难点问题，又是高考中的热点问题。在中学物理教学中，常常涉及到的极值计算有：分析物理过程求取极值；利用二次函数求取极值；利用不等式求取极值；利用物理图像求取极值等。

例5：如图所示的电路中，闭合开关S ，调节有关电阻使电流计的读数为零，这时：（ ）

A 、 若R 1增大，则G 中的电流从a 到b 。

B 、 若R 2增大，则G 中的电流从a 到b 。

C 、 若R 3减小，则G 中的电流从a 到b 。

D 、若R 4减小，则G 中的电流从a 到b 。

解析：可用极端思维法来解决，既然R 1、R 2增大，就让它们断开，这样就很容易得出选项B 是正确的；既然R 3、R 4减小，就让它们短路，同样也很容易得出选项D 是正确的。

点评：把对问题的分析推向极端情况，常会收到事半功倍的效果。

小结：上面从五个方面简要介绍了研究物理问题的基本科学思维方法，它们应有益于加深对物理知识的理解、巩固和提高灵活应用知识的能力，对高中物理总复习起到有益的作用。