例说解答物理题中的科学思维方法 新课标 人教版

例说解答物理题中的科学思维方法纵观近几年的高考题，其主要命题思想是坚持以能力测试为主导的命题指导思想，运用比较新颖的物理情景和设问方式，利用物理基本概念、基本规律和学科主干知识，考查考生的理解能力、推理能力、独立分析和解决问题的能力。

提高学生分析问题、解决问题的能力应贯穿于整个高中物理教学的始终 。

什么是能力？能力应以知识为载体，却又是知识的升华，是活化的知识。

我认为可用下列公式表示：能力=知识+方法的灵活应用。

只有掌握科学的思维方法才能正确地分析与解决问题，那中学阶段所运用的主要思维方法有哪些呢？如何正确使用呢？下面我做一个抛砖引玉的介绍。

物理学中常见的学科思维方法有：隔离与整体法、等效法、临界法、图解法，极限思维与极值法、估算法。

1、隔离法与整体法物理习题中，所涉及的往往不只是一个单独的物体、或一个孤立的过程、或一个单一的题给条件．这时，如果把所涉及到的多个物体、多个过程、多个未知量作为一个整体来考虑，这种以整体为研究对象的解题方法称为整体法；而把整体的某一部分(如其中的一个物体或者是一个过程)单独从整体中抽取出来进行分析研究的方法，则称为隔离法当问题中出现多个物体参与运动并且相互关联时，可采用隔离法求解。

隔离法解题的步骤：（1）分析题意，选定隔离对象（2）对隔离的对象逐一分析背景条件和状态变化，并根据物理规律列出已知量与未知量间的关系。

（3）分析描述各物体状态的参量间的关系，使诸关系式联立。

（4）解联立方程，求出待求量。

应当强调指出的是：（1）所谓“隔离方案”可以是对每个物体 都进行单独分析；也可以将对整体的分析和对单个物体的分析交叉进行，以简便为准。

（2）要善于准确地找出各物体状态量间的关系，如：位移、速度、加速度、压强、体积……等，这些量之间除了存在物理关系以外，还常常存在一些几何关系，也是不容忽视的。

此方法多用于与受力、运动有关的问题。

例1、如图1所示，三根不可伸长的轻绳，一端系在半径为r 0的环1上，彼此间距相等。

绳穿过半径为r 0的第2个圆环，另一端用同样方式系在半径为2r 0的圆环3上，环1固定在水平天花上，整个系统处于平衡。

试求第2个环中心与第3个环中心之距离。

（三个环都是用同种金属丝制作的） 【析与解：】因为环2的半径为环3的2倍，环3的周长为环2的2倍，三环又是用同种金属丝制成的，所以环3 的质量为环2的2倍。

设环2的质量为m ，则三根绳承受的重量为3mg （以2、3两环的系统为研究对象），即环1与环3之间每根绳的张力T 1＝mg,是相同的。

对环3(受力如图1)，平衡时，有 3T 2 cosα=2mg又 T 1=T 2=mg得 cosα=2/3环2与环3中心间的距离x= r 0ctgα=02r 52cos -1cos rαα点评：本题先以2、3环为研究对象，再以2环为研究对象，并利用对称性，体现了思维的灵活性。

例2、如图2所示，在光滑绝缘水平面上有三个质量都是m 的相同小球，两两间的距离都是l A 、B 带电量都是+q ，给c 一个外力F ，是三个保持相对静止状态，并共同做加速运动，求：图1（1）c 球所带电荷的电性和电荷量 （2）外力F 的大小 【析与解：】（1）以B 球为研究对象进行分析，球A 、B 相互间的库仑力F AB 为斥力，因此C 球对B 球的力只能是引力，则球C 带负电荷，且这两个力的合力F B 应垂直于A 、B 连线的方向。

这样就把球受的两库仑力F AB 、F CB 及它们的合力F B 的平行四边形确定了，如右图所示。

由图中的几何关系知道F CB =2F AB ，由库仑定律得：2222lq k l qQ k C = 可见C 球带的电荷量为Q C = -2q（2）对B 球，由牛顿第二定律有FB=ma 对整个系统由牛顿第二定律有F=3ma 所以 F=3F B由受力图可知：F B =F AB cot30o=2233l q k F AB=故F=33k 2、等效类比法物理学的一些问题中，研究对象、题设条件比较复杂，按实际发生的状态变化进行讨论困难很大，等效法就是要在保持效果不变的前提下，对研究背景条件、物理过程进行分解、变换、替代、重组，使它们更简单、更符合各种理想化模型，从而达到简化问题的目的。

等效思维方法有时还用于物理学的不同分支之间，可以把某个分支中的规律方法借鉴到解其他分支的问题中去，把一个分支的问题等效于另一个分支中的问题。

（1）力的等效合力分力具有等效性，关于这一点在力的合成与分解中得到了充分的体现。

除此之外，在另一类题目中，如果也能够充分应用等效观点，将物体所受的多个恒力等效为一个力，就可以将较复杂的物理模型转化为相对 较为简单的物理模型，然后再去应用我们熟知的规律去列方程，这样将会大大降低解题 的难度；更有利于问题的正确解答。

例3、如下图，一个质量为M=50kg 的轮胎放在台旁，台阶的高度为轮胎半径的一半，为了在轮胎最高处A 是一最小的力，使轮胎刚能以T 点为轴滚上台阶，试计算，（1）这个最小力应沿什么方向？大小等于多少？（2）台阶对车轮胎的支持力和摩擦力各是多大？ 【析与解：】本问题涉及到转动问题，通常的分析方法是应用有固定转动轴物体的平衡条件0=∑M ，要使作用力最小，又要满足作用力的力矩和重力矩平衡，故作用力F min 应垂直于O′A 斜向上右上方。

大小就要用到力矩平衡公式去计算了如果我们注意到摩擦力f 与支持力F N 的合力F 一定沿O′A 经过A 点，则如图3中所示就简化成三力平衡问题了，且力F 与在A 点施加的外力的合力不变，为mg ，方向竖直向上，这样我们由图可以和简便的得到当力F min 与F 垂直时，力F min 最小。

故 F min =mg sin300=mg/2=2.5×102N 这样N 与f 的合力F 为F=mg cos300N=Fcos300=mg cos 2300=375Nm in 3图2图f=mgcos300sin300=125N 3（2）电路中的等效有关电路分析和计算的题目，‘虽然涉及到物理过程和能量的转化情况较为单一，但是在元器件确定的情况下，线路的连接方式 却是千变万化的。

多数的电路中电子元件的串并联关系 一目了然，不需要对电路进行等效转换，而有些电路 图中的元件的连接方式并非一下就能看明白 ，这就需要在计算之前对电路和连接方式 进行分析，并进一步画出其等效电路图，学会画等效电路图是中学阶段必须 具备的能力之一。

例4、如图4所示电路，虚线框内各元件的数据均未知，但都保持不变。

当在输出端a 、b 接上一个电阻R 1=18Ω时，测得其中电流I 1=0.6A ；当换上R 2=10，测得其中电流I 2=1.0A 。

为使换上R 3后的电流I 3=0.1A ，则电阻R 3应为多大【析与解：】由题意可将虚线框内的固定部分看作一个等效电源，其电动势设为E ，内阻设为r ，由全电路欧姆定律和题设条件可得：)()()(332211R r I E R r I E R r I E +=+=+= 将I 1=0.6A 、I 2=1.0A 、I 3=0.1A 、R 1=18Ω、R 2=10Ω 代入求得R 3=118Ω等效法也是实验设计的一种有效方法。

例如利用某一已知电阻在电路中产生的效果与待测电阻在同一电路中产生的效果相同，那么待测电阻的阻值与这一已知电阻的阻值相同。

例5、实验室提供下列器材，请设计电路测量电流表A 1的内阻： A 1是待测电流表，量程是300μA，内阻约为100Ω； A 2是标准电流表，量程是200μA； R 1是电阻箱，阻值范围是0~999.9Ω；R 2是滑动变阻器；E 是电池组，电动势为4V ，内阻很小 S 1是单刀单掷开关，S 2是双刀双掷开关①请设计实验电路测量A 1的电阻 ②简要写出实验步骤【析与解：】①实验电路设计如右图5②主要步骤为：连好电路，将开关S 2扳到节点a 处，将R2滑动触头移至最左端，R 1阻值调至最大，闭合开关S 1，调节R 2使电流表的读数为某值，并记录；然后将开关S 2扳至b 节点，调节R 1直至电流表的示数与上次相同，记下此时的R 1的值，即为A 1的内阻。

（3）物理模型的等效在解题过程中，我们应用最多的、最典型的物理模型并不很多，如碰撞模型、人船模型、子弹射木块模型、卫星模型、弹簧振子模型等，从近几年的高考 试题看，命题者的指导思想很明确，那就是图示所命题目的创意新、背景新、过程新，但若从题目所对应的物理模型上看，其本质还是我们常见的物理模型，有的貌似、有的神似，本质 上讲还是提高构建物理模型的能力，要学会透过现象看本质，进而对物理模型进行等效转换，简化求解过程。

例6、如下图所示，电场强度为E 的匀强电场方向水平向右，一质量为m 的带电小球用长为L 的绝缘细线悬挂于电场中的O 点，电场区域足够大，小球静止时线与水平方向的夹角θ=5304图R5 图（sin530=0.8，cos530=0.6）如将小球拉到右方水平位置A 处（线绷紧），将小球由静止释放，放手后小球沿圆周运动，问小球速度再次为零时，线与OA 方向的夹角多大？【解析：】带电小球在P 点静止，由平衡条件可知 电场力Eq=mgcotθ设小球运动到C 点时速度为零，再对从A 到C 过程应用动能定理可得：mgLsinα-EqL(1-cosα)=0 其中∠AOC=α 联立解得α=2θ 这样解答当然是正确的，但如果把他与重力场类比，把Eq 与mg 的合力F ，看作等效的重力，则P 点就是等效最低点。

在利用摆动的对称性，就可迅速得出小球速度再次为零时的位置C ，此时∠AOC 必为2θ。

这样解答自然更简洁类比是一种重要的推理方法。

它根据不同事物之间的部分属性的相似，从而推论它们的某些其他属性也可能是相似的。

从学习方面来说，学生要掌握科学的学习方法，要加强综合分析能力的培养，学会抓住事物本质的、共性的、具有普遍规律的东西以实现认识的飞跃，类比法就具有相当积极的作用。

类比可以使人们找到初看起来似乎是彼此孤立的内容的内在联系，又可以使人们灵活运用学过的知识去解决问题，达到触类旁通的目的，把知识学活。

只有这样才能实现华罗庚所说的学习上“少——多——少”过程中由多到少的飞跃。

再如，借助重力场中的因果关系的类比，我们可以推出静电场的一些性质，即重力做功与路径无关，所以，在重力场中可以引出重力势能概念；重力做正功，物体的重力势能减小，重力做负功，物体的重力势能增大……静电场力做功也与路径无关。

所以，在静电场中可以引出电势能概念，电场力做正功，电荷的电势能减小，电场力做负功，电荷的电势能增大……3、临界法物理学中存在大量的临界问题，所谓临界问题 ，是指物体在运动过程上存在着从一种状态到另一种状态时出现分界状态的现象，这是从量变到质变的规律在物理现象中生动表现。