創(chuàng)新思維在物理學(xué)中的應(yīng)用探討

遲寶倩

摘 要：創(chuàng)新引領(lǐng)社會(huì)發(fā)展，推動(dòng)科技進(jìn)步，改變了人們的生活和思維方式。創(chuàng)新的核心為創(chuàng)新思維，而自然科學(xué)和工程技術(shù)的發(fā)展依靠物理學(xué)的基本理論支撐。教師可對(duì)創(chuàng)新思維中的形象思維、逆向思維和側(cè)向思維在物理學(xué)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新思維；物理學(xué)；應(yīng)用探討

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9132（2018）24-0005-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2018.24.001

在當(dāng)今世界，創(chuàng)新是一個(gè)出現(xiàn)頻率非常高的一個(gè)詞，我們經(jīng)常能夠聽(tīng)到諸如教育創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、科技創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新等等。創(chuàng)新已經(jīng)滲透到我們的學(xué)習(xí)、生活等方方面面。學(xué)校教育常常被認(rèn)為是以領(lǐng)悟?qū)W術(shù)、獲取知識(shí)為目的，然而還有比知識(shí)更重要的東西，即創(chuàng)新能力。面對(duì)全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，學(xué)校教育在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力中的作用越來(lái)越重要。實(shí)際上教育的本質(zhì)并不是要讓學(xué)生掌握很多知識(shí)和技能，而是要通過(guò)不同學(xué)科的學(xué)習(xí)獲取思考問(wèn)題的方式—思維方式。創(chuàng)新思維是創(chuàng)新的核心，掌握并能靈活運(yùn)用創(chuàng)新思維是一個(gè)人成敗的關(guān)鍵。按思維過(guò)程和結(jié)果分類，思維分為常規(guī)思維和創(chuàng)新思維，與常規(guī)思維相比，創(chuàng)新思維是指以新穎獨(dú)特的方法解決問(wèn)題的思維過(guò)程[1]。物理學(xué)是一切自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)，其中充滿了復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式。但是物理學(xué)中蘊(yùn)含的思想內(nèi)涵，而非公式，才是每一個(gè)物理理論的開端。在物理學(xué)發(fā)展和學(xué)習(xí)中，創(chuàng)新思維也起著至關(guān)重要的作用。本文結(jié)合具體實(shí)例概述了形象思維、逆向思維和側(cè)向思維在物理學(xué)中的應(yīng)用。

一、形象思維在物理學(xué)中的應(yīng)用

形象思維是指以具體的形象或圖像為思維內(nèi)容的思維形態(tài)。牛頓運(yùn)用形象思維闡述了經(jīng)典力學(xué)中的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律，揭示了天體運(yùn)動(dòng)與地面上物體運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一性，構(gòu)成了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)。美國(guó)工程師斯波塞在做雷達(dá)起振實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)口袋里的巧克力熔化了，應(yīng)用形象思維，他推測(cè)是雷達(dá)發(fā)射時(shí)的微波造成的，找到因果關(guān)系就聯(lián)想到用微波加熱食品，于是發(fā)明了微波爐，從而實(shí)現(xiàn)人類無(wú)明火即可干凈、快速加熱食品。實(shí)際上在物理學(xué)學(xué)習(xí)方法中，很多時(shí)候形象思維的作用是不可忽略的。物理圖像是我們經(jīng)常采用的一種行之有效的方法，物理圖像能夠把復(fù)雜的問(wèn)題形象直觀地表示出來(lái)，從而簡(jiǎn)化問(wèn)題的討論，這其中運(yùn)用的便是形象思維。

例如，描述簡(jiǎn)諧振動(dòng)的振動(dòng)方程為x=Acos（？棕t+？漬），然而這個(gè)振動(dòng)方程比較抽象，在處理某些問(wèn)題的時(shí)候比較復(fù)雜，而簡(jiǎn)諧振動(dòng)的旋轉(zhuǎn)矢量表示法能夠形象直觀地展示簡(jiǎn)諧振動(dòng)的規(guī)律[2]。如圖1所示，令旋轉(zhuǎn)矢量A的大小等于簡(jiǎn)諧振動(dòng)的振幅A，t=0時(shí)，矢量A與Ox軸的夾角等于初相？漬，并以角速度？棕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，任一時(shí)刻旋轉(zhuǎn)矢量與Ox軸的夾角為？棕t+？漬，則當(dāng)旋轉(zhuǎn)矢量繞坐標(biāo)原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，其末端在Ox軸的投影則表明簡(jiǎn)諧振動(dòng)完成了一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)。人從一出生就會(huì)以形象思維方式考慮問(wèn)題，它是人的一種本能思維。應(yīng)用旋轉(zhuǎn)矢量表示方法我們可以方便、直觀地求解簡(jiǎn)諧振動(dòng)的問(wèn)題。

光的偏振現(xiàn)象中有這樣一個(gè)問(wèn)題，求光強(qiáng)為I0的自然光依次通過(guò)三個(gè)偏振片P1、P2和P3組成的偏振片組后透射光的光強(qiáng)，已知P1和P3的偏振化方向相垂直，P1和P2的偏振化方向成30°。通過(guò)圖像可以把已知條件清晰地呈現(xiàn)出來(lái)，再應(yīng)該用馬呂斯定律即可求解。實(shí)際上在物理學(xué)學(xué)習(xí)中，很多時(shí)候都可通過(guò)圖像進(jìn)行描述，如振動(dòng)曲線、波形圖等等。因此在求解具體問(wèn)題時(shí)要注重形象思維的運(yùn)用，可以把已知要素通過(guò)圖形呈現(xiàn)出來(lái)，便于問(wèn)題的分析求解。

二、逆向思維在物理學(xué)中的應(yīng)用

我們所處的世界由相互對(duì)立的事物所構(gòu)成，因此也暗示我們應(yīng)該從兩個(gè)方面去認(rèn)識(shí)事物。逆向思維即是通過(guò)事物的相反面去考慮問(wèn)題。阿基米德應(yīng)用逆向思維設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了國(guó)王的金冠是否為純金，并從中發(fā)現(xiàn)了物理學(xué)中著名的浮力定律。奧斯特發(fā)現(xiàn)電能生磁，在此基礎(chǔ)上人們發(fā)明了電動(dòng)機(jī)。那么反過(guò)來(lái)是否成立呢？英國(guó)科學(xué)家法拉第應(yīng)用逆向思維設(shè)計(jì)了磁生電的實(shí)驗(yàn)，即電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)，并依據(jù)此原理發(fā)明了發(fā)電機(jī)。這些物理學(xué)中取得的重要成就都說(shuō)明了逆向思維的重要性。

在物理學(xué)學(xué)習(xí)中，很多問(wèn)題的求解也體現(xiàn)了逆向思維的重要性。例如，在質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)學(xué)習(xí)中，有這樣一個(gè)問(wèn)題：如圖2所示，一物體以初速V0沖上一光滑的斜面，斜面傾角為θ，求物體在到達(dá)最高點(diǎn)之前一秒內(nèi)的路程？（假設(shè)重力加速度為g，斜面足夠長(zhǎng)，初速足夠大）。分析這個(gè)過(guò)程可以知道物體達(dá)最高點(diǎn)之前一秒內(nèi)的路程即為其到達(dá)最高點(diǎn)后下滑第一秒內(nèi)的路程，因此可將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解物體到達(dá)最高點(diǎn)后下滑第一秒內(nèi)的路程，顯然應(yīng)用逆向思維簡(jiǎn)化了問(wèn)題的求解。在求解波動(dòng)方程時(shí)，常規(guī)問(wèn)題是已知波形圖和波的傳播方向，求解波動(dòng)方程，但有時(shí)是已知波形圖和其中某位置介質(zhì)的振動(dòng)方向，求解波動(dòng)方程，這個(gè)時(shí)候應(yīng)該逆向思維通過(guò)該質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向可以知道波的傳播方向，再求解即可。因而在物理學(xué)學(xué)習(xí)中要注重逆向思維的運(yùn)用。

三、側(cè)向思維在物理學(xué)中的應(yīng)用

側(cè)向思維是把自己熟悉的領(lǐng)域與其他領(lǐng)域交叉起來(lái)考慮問(wèn)題的一種思維方式，具有思路活潑多變，善于聯(lián)想推導(dǎo)，隨機(jī)應(yīng)變的特點(diǎn)。物理學(xué)的基本理論是一切自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)，將其引入其他領(lǐng)域會(huì)有更多的新發(fā)明、新發(fā)現(xiàn)。近代的三次工業(yè)革命極大地加快了人類生產(chǎn)生活的步伐，方便了我們的生活，而這三次工業(yè)革命均以物理學(xué)理論為基礎(chǔ)。電磁相互作用是四種最基本作用之一，將其與其他技術(shù)關(guān)聯(lián)得到了廣泛的應(yīng)用。利用磁力克服重力使物體懸浮的技術(shù)稱為磁懸浮技術(shù)。磁懸浮列車即是人們應(yīng)用側(cè)向思維將磁懸浮技術(shù)應(yīng)用于列車而發(fā)明的新型交通工具。與傳統(tǒng)交通工具相比，磁懸浮列車具有速度快、運(yùn)行安全、平穩(wěn)舒適、節(jié)省能源消耗、無(wú)噪聲、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，將成為未來(lái)的主要交通工具。還有各種磁力玩具給小朋友們帶來(lái)了快樂(lè)，強(qiáng)磁擦玻璃神器方便了我們的日常生活等等。小到日常生活，大到重大的科技發(fā)明，物理學(xué)的基本理論早已滲透到我們的生活中。

機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播形成機(jī)械波，其中振動(dòng)頻率高于20000赫茲的機(jī)械波稱為超聲波。超聲波有頻率高、波長(zhǎng)短，能量比一般聲波大很多、不容易發(fā)生衍射、穿透力強(qiáng)等特點(diǎn)，所以能夠與其他領(lǐng)域技術(shù)相結(jié)合，得到廣泛的應(yīng)用。例如，超聲波清洗機(jī)，可達(dá)到精密清洗、潔凈度高；超聲波魚探儀可探測(cè)深海魚群；超聲波切割機(jī)，振動(dòng)小、精度高；超聲波流量計(jì)測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)；超聲波診斷是常用的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)之一，提供生理或組織結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)和形態(tài)，從而方便直觀地輔助診斷。在這個(gè)信息化時(shí)代，如何抓住信息化發(fā)展機(jī)遇是未來(lái)成敗的關(guān)鍵，而物理學(xué)的學(xué)習(xí)讓我們具備了將來(lái)可以創(chuàng)新的基本素養(yǎng)，因而要重視側(cè)向思維的重要性。

四、結(jié)語(yǔ)

伴隨著社會(huì)的發(fā)展，創(chuàng)新逐步上升到意識(shí)形態(tài)，不懂得創(chuàng)新就只能復(fù)制別人的昨天，最終被社會(huì)所淘汰。物理學(xué)中的基本理論是未來(lái)從事科研工作人員和工程技術(shù)人員的必備基礎(chǔ)。在物理學(xué)學(xué)習(xí)中，從理論到應(yīng)用創(chuàng)新思維都起著至關(guān)重要的作用，因而要注重創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李劍鋒，張淑卿，趙玉紅著.大學(xué)生創(chuàng)新思維與案例分析[M].北京：光明日?qǐng)?bào)出版社，2017.

[2] 吳澤華，陳小鳳.大學(xué)物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2011.