趙蘭
摘 要:在物理教學(xué)中,因果聯(lián)系法發(fā)揮著極其重要的作用,許多物理規(guī)律的獲得以及物理問題的解決都需要借助因果聯(lián)系法。因果聯(lián)系法是中學(xué)物理教學(xué)常用的一種思維方式。現(xiàn)通過對因果聯(lián)系法的簡介,并結(jié)合物理教學(xué)實踐給出一些應(yīng)用案例。
關(guān)鍵詞:因果聯(lián)系法;中學(xué)物理教學(xué);物理教育實踐
中圖分類號:G63 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1673-9132(2017)35-0082-02
DOI:10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2017.35.048
因果聯(lián)系是解決數(shù)理化學(xué)科問題常用的思維方法,在中學(xué)物理教學(xué)中更為常見。靈活運用這些方法,能夠幫助學(xué)生更好地理解物理現(xiàn)象和物理公式間的因果關(guān)系,使學(xué)生掌握正確的解題規(guī)律,培養(yǎng)邏輯思維能力。下面以運動的合成分解和帶電粒子在磁場中的運動問題為例,簡明闡述高中物理教學(xué)中因果聯(lián)系的運用。
一、運動的合成與分解問題
運動的合成與分解最為典型最有代表性的就是繩子拉船問題,但很多學(xué)生對這類型問題感到非常困惑。引入因果聯(lián)系的方法,能夠使學(xué)生正確理解并牢固掌握這一問題。
例如,如圖1所示,河岸距水面上方高h(yuǎn),一人通過定滑輪O用繩子勻速地拉動停在水面上的一條船,假設(shè)人拉動繩子的速度是V,那么當(dāng)繩子OA與水平面的夾角是θ時,求小船運動的速度是多少。
(一)常見的錯誤解答
對于這樣的問題,多數(shù)同學(xué)常見錯誤出在運動的分解上,直接把繩子運動速率V作垂直和水平方向分解(如圖2所示),這樣也就錯誤地理解為,船沿水面運動是分運動,而繩子的運動是合運動,即V船=Vcosθ。如果按照這種錯誤分析,船還有一個垂直向上的分運動,那么的話船是會離開水面的,很顯然船沒有離開水面,所以與事實不相符。
(二)造成錯誤的原因分析
造成上述解答錯誤的原因是對合運動與分運動的定位不夠清楚,通常把物體實際發(fā)生的運動看作是合運動;根據(jù)運動產(chǎn)生的來源尋找出的相關(guān)的運動視作是該運動的分運動。那么,如何去找合運動與分運動呢?我們來研究繩與船相連接的A點,可以把A點認(rèn)為是繩上的點,參與了繩子的運動,也可以把A點認(rèn)為是船上的點,參與了船的運動。當(dāng)小船受到繩子的拉力,沿著水平方向向左運動時,繩子OA的運動一方面是,沿著繩子向方向的運動,另一方面,要參與繩子和定滑輪的轉(zhuǎn)動。正因為A點同時參與了繩子方向的收縮運動和繩子繞定滑輪O的轉(zhuǎn)動。它的合運動才是水平向左的(如圖3所示)。得出的結(jié)論就是人拉動繩子的速度大小等于繩子沿拉力方向的分速度大小,那么小船的運動速度為V=。
(三)解題過程中需要注意的問題
1.解決速度分解問題時,物體的實際運動速度一定是合速度,取繩(桿)的方向和垂直繩(桿)的方向作為兩個分速度的分解方向。
2.解決小船過河問題,一定要弄清楚小船同時參相對于水的運動和隨水運動這兩個運動。分析時可以用正交分解或者平行四邊形定則,還可以用解析法和圖解法分析等。
二、帶電粒子在磁場中的運動問題
歷年高考試題中出現(xiàn)較多就是帶電粒子在磁場中的運動問題,命題形式比較多樣,有比較簡單的選擇題,也有難度較大的綜合性計算題,較為常見的命題形式是:對運動量的考核,即在洛倫茲力作用下帶電粒子做圓周運動的運動學(xué)量(半徑、速度、時間、周期等)的考核;對概念理解的考核,即對帶電粒子在磁場中運動的相關(guān)概念的理解掌握以及與力學(xué)問題綜合方法的考核;對知識應(yīng)用的考核,即對思維能力和理論聯(lián)系實際能力的考核。
例如,如圖4所示,有一垂直于紙面向里的磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場,存在于x軸上方,一個帶電粒子(不計重力)以速度v從坐標(biāo)原點O處進入磁場,速度方向與x軸正方向成120°夾角,并垂直于磁場,若粒子穿過y軸正半軸后,在磁場中到x軸的最大距離為a,則該粒子的比荷和所帶電荷的正負(fù)是( )
(二)解題過程中需要注意的問題
解決帶電粒子在磁場中的運動問題時,要注意把握好“三找兩確定一計算”的解析方法,即找出圓心、半徑、周期或時間,確定圓心和半徑,計算出半徑。洛倫茲力是指向圓心的,當(dāng)速度與磁場方向垂直時洛倫茲力垂直速度方向也垂直磁場方向,可以畫出粒子運動軌跡中任意兩點,通常就是射入和射出磁場的兩點的洛倫茲力的方向,沿這兩個洛倫茲力可以作出其延長線的交點,即為圓心;同時,也可用“圓心位置必定在圓中任一根弦的中垂線上”這條規(guī)則來判定??梢岳闷矫鎺缀侮P(guān)系來求出圓的半徑(或運動圓弧對應(yīng)的圓心角),這里需要利用到一個重要的幾何特點,就是粒子速度的偏向角(φ)等于圓心角(α),并等于弦AB與切線的夾角(弦切角θ)的2倍,即φ=α=2θ。
在任何課程的課堂教學(xué)中,知識的獲得都要靠學(xué)生自己去思考、歸納和總結(jié)。因果聯(lián)系法教學(xué)是高中物理教學(xué)中的一個重要方面,要在教學(xué)中經(jīng)常運用這種方法,把這種思想觀點運用到學(xué)習(xí)中,用科學(xué)的學(xué)習(xí)方法去理解、學(xué)習(xí)、掌握物理知識,弄清其中的因果邏輯關(guān)系,引導(dǎo)學(xué)生積極思考,認(rèn)真歸納總結(jié),達(dá)到在解題過程中靈活運用的目的。在物理教學(xué)中通過運用因果聯(lián)系法,不僅能揭示出新舊知識之間的內(nèi)在聯(lián)系,體現(xiàn)物理知識自身的統(tǒng)一性,而且能對教材中有限的知識進行整理,建立起系統(tǒng)的知識網(wǎng),便于學(xué)生理解。
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