通過習(xí)題教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生直感思維能力的探討

(江蘇省贛榆縣教育局教研室，江蘇 贛榆 222100)

直感為形象思維能力，屬于顯意識，與潛意識的靈感不同，它是知覺形成的基礎(chǔ)之一.物理直感思維是以物理表象為思維材料，通過事物的形象特征認(rèn)識事物的物理內(nèi)容、本質(zhì)，并作出判斷的科學(xué)思維.在中學(xué)物理教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的直感思維能力，有利于對物理知識的理解和對物理思想方法的感悟，有利于應(yīng)用物理知識解決實際問題能力的提高.在培養(yǎng)學(xué)生思維能力方面，習(xí)題教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生直感思維能力的途徑之一.

1 培養(yǎng)形象識別直感思維能力

用某物理表象的特征與具體物理形象進(jìn)行比較，通過形象分析，判斷該具體物理形象是否與某物理表象同質(zhì)的思維形式稱為形象識別直感.物理學(xué)中的形象識別主要表現(xiàn)為將實際物理對象、物理狀態(tài)、物理過程、物理現(xiàn)象的形象歸入某類物理表象，使主體能迅速將問題定向，認(rèn)清解決問題的方向或途徑.

(1)過程識別

圖1

例如圖1所示，AB是半徑為1m的光滑圓弧，弧長為4cm，A點與水平面相切.現(xiàn)將一小球從B點由靜止釋放，設(shè)小球下滑到圓弧底端A所需時間為t，為使小球下滑時間增加為2t，則下列方法中可采用的是( )

A．將小球的質(zhì)量增加為原來的2倍

B．將圓弧的半徑增加為原來的4倍

C．將圓弧的弧長增加為原來的2倍

D．將小球從圓弧的中點由靜止釋放

圖2

分析：將圓弧AB想像為圓弧CAB的一半，如圖2所示，那么，小球沿圓弧BAC作往復(fù)運動，即振動.又由于圓弧AB的半徑1m遠(yuǎn)大于圓弧AB的長度4cm，因此，這一圖景可以認(rèn)為是小球的運動與單擺擺球運動一樣作簡諧運動.這樣就將這個事件的物理過程納入單擺振動的物理表象.

(2)狀態(tài)識別

圖3

例如圖3所示，在場強(qiáng)為E、豎直向上的勻強(qiáng)電場中，有一半徑為r的光滑絕緣圓環(huán)，圓環(huán)面與電場方向平行.在環(huán)上套一質(zhì)量為m、帶電量為+q的小球.在圓環(huán)的最低點A處，當(dāng)小球以多大速度運動時，小球?qū)A環(huán)沒有壓力？

圖4

分析：小球在通過圓環(huán)最低點A處時對圓環(huán)沒有壓力，只受到豎直向下的重力和豎直向上的電場力，且作圓周運動.這與一個球在豎直軌道內(nèi)作圓周運動，小球在軌道最高點處于臨界狀態(tài)類似(如圖4所示).這樣，就將這個事件的物理狀態(tài)納入到圓周運動的臨界狀態(tài)的物理表象.

2 培養(yǎng)形象類比直感思維能力

根據(jù)兩個(或兩類)不同對象的部分屬性(包括成分、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、功能等)相似，而推出這兩個(或兩類)對象的其他屬性也可能相似的思維形式稱為類比.形象類比直感的基本環(huán)節(jié)是形象的聯(lián)想和比較，首先針對類比對象的形象進(jìn)行聯(lián)想和比較，其次是對所研究的對象在成分、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、功能等方面，進(jìn)行聯(lián)想和比較，以便從已知事物的判斷過渡到對未知事物的直感.

(1)因果相似類比

因果相似類比是以A對象中各因素之間的因果關(guān)系為橋梁而進(jìn)行的類比，從而探索與之相似的B對象的原因或結(jié)果.

例在平緩的海灘上，可以看到不論海中的水波向什么方向傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)岸邊時總是大約沿垂直與海岸的方向傳播過來，試解釋原因.

圖5

分析：水波是波，應(yīng)該具有波的一系列性質(zhì).我們知道光波與水波雖然本質(zhì)不同，但由于它們都是波，所以都具有反射、折射、干涉和衍射等性質(zhì).如圖5所示，對于光波來說，當(dāng)一束光從光疏媒質(zhì)進(jìn)入光密媒質(zhì)時，光線將向法線方向偏折，同時傳播速度減小.

圖6

解答：將水波與光波類比可知，當(dāng)水波進(jìn)入海岸附近海灘時，由于阻力等作用水波傳播速度減小，使水波發(fā)生折射現(xiàn)象，使水波傳播方向逐漸趨向垂直于海岸(如圖6所示).

(2)結(jié)構(gòu)相似類比

兩個相似的事物往往會暴露出它們相似的結(jié)構(gòu)，抓住兩個不同事物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行類比，往往可以直接得出結(jié)論.

圖7

例如圖7所示，平板小車上固定著一只杯子，杯內(nèi)有一定質(zhì)量的水.當(dāng)小車以加速度a向前加速運動時，杯內(nèi)水面穩(wěn)定后與水平方向有一定的夾角α，求α的大小.

圖8

分析：解答本題的關(guān)鍵在于將這個對象和問題轉(zhuǎn)化為熟知的對象和問題.在力學(xué)中，有如圖8所示的問題，有幾個質(zhì)量相同的物體排列在一起，放在傾角為α光滑斜面體上，問斜面體以多大的加速度向前運動，可以使小物體相對于斜面保持靜止不滑下？在圖8中，分析物體的受力，可以看出，要使每個物體相對斜面靜止不動，它們的受力情況相似，根據(jù)F=ma，有mgtanα=ma，a=gtanα.

(3)過程相似類比

如果兩個事件的動態(tài)過程相似，那么，研究一事件的動態(tài)過程可以認(rèn)識另一時間的動態(tài)變化情況，這種類比稱為過程相似類比.

圖9

例如圖9所示，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的豎直勻強(qiáng)磁場中，有一水平放置的兩平行的足夠長的直導(dǎo)軌ab和cd.導(dǎo)軌上放有質(zhì)量為M的光滑靜止導(dǎo)體棒MN，在其左邊導(dǎo)軌上有一質(zhì)量為m光滑導(dǎo)體棒PQ，以速度v沿導(dǎo)軌向MN運動，若PQ與MN一直沒有相碰.求PQ與MN最終運動速度.

圖10

分析：這是一個較為復(fù)雜的變化過程，先避開事物局部非相似表象，從整體上作模糊相似處理.當(dāng)PQ以水平速度向右運動時，使得MN也向右運動，這是一個動態(tài)過程.這跟子彈打木塊的模型(如圖10所示)中的相互作用過程很相似，即把棒PQ當(dāng)作子彈，把棒MN當(dāng)作木塊，安培力看成子彈與木塊間的相互作用力，這樣就可以用子彈打木塊后二者的動態(tài)變化圖景來認(rèn)識PQ與MN的相互作用過程，從而確定本題的解題方法.

解答：根據(jù)動量守恒定律有：mv+0=(m+M)v′

3 培養(yǎng)形象等效直感思維能力

從兩個物理現(xiàn)象的效果相同出發(fā)，將其中一個物理圖景轉(zhuǎn)換為另一個物理圖景來處理，從而直接得出結(jié)果，這種判斷稱為形象等效直感.

圖11

例導(dǎo)線電阻為R，做成一個閉合圓環(huán)，半徑為r.圓環(huán)放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，一直導(dǎo)線AB以速度v運動，如圖11所示，直導(dǎo)線AB電阻不計.求當(dāng)直導(dǎo)線AB運動到圓心O處的瞬間，直導(dǎo)線中的電流為多大？

圖12

分析：當(dāng)直導(dǎo)線以速度v向右運動時，直導(dǎo)線兩端會出現(xiàn)感應(yīng)電動勢，由于整個回路是閉合的，故圓環(huán)中有感應(yīng)電流產(chǎn)生，當(dāng)直導(dǎo)線運動到圓心處的瞬時，其物理表象等效于圖12所示的電路.在此類問題中，若作出這樣的等效變換，問題就迎刃而解.

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