例談補償法在高中物理解題中運用概述

周 威

前言:高中物理補償法其實是一種在保持原題條件不改變的情況下,利用相關(guān)物理量、模型等為題目給予適當(dāng)補償,從而使相對復(fù)雜的物理問題變得簡單化,實現(xiàn)物理情境熟悉化的轉(zhuǎn)化,然后再進行求解的重要解題方法。

一、補償法在力學(xué)問題中的應(yīng)用

力學(xué)問題是高中物理學(xué)科當(dāng)中比較重要的內(nèi)容之一。隨著學(xué)科教學(xué)的逐漸深入,關(guān)于力學(xué)的相關(guān)問題及各種定律層出不窮,有時候經(jīng)常讓高中生面露難色。尤其是在解題的過程中,總是被題干中的相關(guān)物理量或需要運用到的公式弄得暈頭轉(zhuǎn)向。而補償法在物理力學(xué)解題中的有效應(yīng)用,能夠幫助學(xué)生正確的理解和解決一些比較復(fù)雜、抽象的問題.這一點非常關(guān)鍵,學(xué)生在物理學(xué)科的習(xí)得過程中,經(jīng)常會被比較抽象的問題搞得暈頭轉(zhuǎn)向而無從下手,尤其是在解題的過程中不能第一時間利用好補償法來進行轉(zhuǎn)化,從而給自己的學(xué)習(xí)過程設(shè)置了很多障礙。因此,通過這種方法的有效利用,從而準(zhǔn)確地找到解題思路,順利完成解題步驟,得到正確答案。

舉例說明:總質(zhì)量為M的列車正在沿著水平線做勻速行駛運動,行駛到中途時,由于機械故障原因,車廂的最后一節(jié)與主體之間脫離,脫離車廂的質(zhì)量是m。L是列車行駛的已知距離,在這一距離時,司機才有所察覺,并同時松開油門,采取的“除去牽引力”的相關(guān)措施。假設(shè)列車牽引力保持不變,其運動阻力與質(zhì)量之間是正比。請問,列車停止運動時脫節(jié)車廂與列車之間距離是多遠? 一般來說,學(xué)生需要對機車的兩部分進行不同過程的不同分析,列出方程進行聯(lián)合求解。或者列動能定理和運動公式,但這種解法相對比較煩瑣,浪費時間。因此,學(xué)生不妨運用補償法來嘗試作答,本題即需要使用功能補償法,解題過程只需要通過精準(zhǔn)的補償分析即可利用一個方程實現(xiàn)解答。當(dāng)車廂脫節(jié)與發(fā)動機關(guān)閉一起發(fā)生,車身的初始運動速度與車廂保持一致(V),車身與脫節(jié)車廂所承受的阻力和車重呈正比,同時,兩者的加速度也保持一致。所以,列車主體與脫節(jié)車廂在理論上,它們在停止行駛后的行駛距離相同。而對于現(xiàn)實來說,車身要比脫節(jié)車廂行駛的距離遠一些,ΔL為列車多行駛路程。而車身比脫節(jié)車廂多克服的阻力所做的功就是k(M-m)gΔL。

二、補償法在電磁學(xué)問題中的應(yīng)用

在解題教學(xué)中,高中物理電磁學(xué)也是十分重要的內(nèi)容之一。其中,磁感應(yīng)強度、電位等量的大小、電場強度與電荷及電流分布等都有著密不可分的關(guān)系。無論是電荷分布還是電流分布具有一定的對稱性,同時,電場與磁場的分布也具有一定的對稱性特征。根據(jù)相應(yīng)的規(guī)律對電場強度、磁感應(yīng)強度進行求解,是高中物理教學(xué)中常見的題目類型之一。在這種類型的問題解答過程中,問題總是會比較復(fù)雜難解,學(xué)生可以嘗試運用缺損補償?shù)姆绞竭M行求解。

例如:如右圖所示,AB是呈圓弧狀的金屬絲,r是圓弧半徑,長度為1m,d為AB之間的寬度,長度為2cm,電荷量Q的正電荷,在金屬絲上呈均勻分布狀態(tài),求O處電場強度? (O是圓心)對于本題來說,直接求解有一定難度,學(xué)生不妨先嘗試將金屬絲的缺口補上,并且電荷線密度不變,從而構(gòu)成了一個電荷分布均勻的帶電環(huán)。依據(jù)在圓心處電場疊加后的場強為零,以及對稱性的有關(guān)知識,從而得出圓心處的總場強亦為零,即為E。通過探究,學(xué)生可以假設(shè)原有的缺口環(huán)的電荷線密度是P≈Q/2πr,空缺處被補上后帶電荷量Q1=Q/2πr。然后,學(xué)生可以順利地計算出最終答案。在這一教學(xué)過程中,教師最重要的是做好對學(xué)生的引導(dǎo)學(xué)習(xí)作用,激發(fā)學(xué)生們的思維活力,爭取在教會方法后運用一些類似的習(xí)題讓學(xué)生進行鞏固練習(xí),從而掌握補償法的解題真諦。

三、補償法在光學(xué)問題中的應(yīng)用

在物理光學(xué)的相關(guān)問題中,學(xué)生會接觸到光程問題,如邁克爾遜干涉儀就是光學(xué)實驗中比較常用的測量儀器。在這個儀器當(dāng)中,存在兩個相同材料、相同厚度且均勻的玻璃片。此外,儀器最重要的補償板構(gòu)件是關(guān)鍵,玻璃片的安裝主要是為了補償光程,從而構(gòu)建出一列同心圓環(huán)。當(dāng)去掉補償板后,兩臂光程也就喪失了對稱性的特征,造成光程差的相應(yīng)變化,由此學(xué)生便無法觀察到形狀隨光程差變化的等傾干涉原圖樣。最終證明補償法對于光程問題的研究以及光學(xué)類問題的研究具有相當(dāng)重要的作用。

舉例說明:將曲率半徑相對較大的凸透鏡放置在玻璃上,并保持彎曲朝下,單色光從上方射入,如果我們俯身觀看就可以看到明暗相間的同心環(huán),也叫牛頓環(huán)。為了讓同一級圓環(huán)的半徑變大,我們應(yīng)通過什么樣的方式進行操作。選項A:讓凸透鏡的曲率半徑變大;選項B:讓凸透鏡的曲率半徑變小;選項C:照射的單色光波長變長;選項D:照射單色光的波長變短。首先,學(xué)生需要運用本題的相關(guān)知識做出分析,反射的兩列相干光由空氣層的上下表面進行照射,由于光程差為波長的整數(shù)倍是亮條紋,光程差為半個波長的奇數(shù)倍是暗條紋。然后,學(xué)生再運用排除法對每一個選項進行相應(yīng)判斷分析,選項A是凸透鏡曲面上反射光與玻璃平面上的反射光相互干涉而成;選項C的內(nèi)容違反了光沿直線傳播的原理,是泊松亮斑;選項D,使用白光進行照射,干涉所形成的圓環(huán)還是會存在。在所有選項完成分析后,可以輕松進行排出錯誤選項。類似的問題解題過程中,學(xué)生除了要充分掌握相應(yīng)的光學(xué)理論知識外,還要對補償法的有關(guān)知識和解題技巧予以充分理解,并對相關(guān)光學(xué)儀器的原理以及牛頓環(huán)等產(chǎn)生的機理擁有扎實的理解能力。為此,教師在運用補償法對學(xué)生的解題能力開展教學(xué)時,一定要確保對物理學(xué)中相關(guān)的知識結(jié)構(gòu)進行梳理,從而幫助學(xué)生構(gòu)建起物理學(xué)習(xí)的知識體系,并有能力運用補償法來實現(xiàn)思維能力的轉(zhuǎn)化與運用,從而增強自身的物理問題的解題能力。

結(jié)語:總而言之,通過本文的幾道例題,學(xué)生可以更好地對補償法在高中物理解題中的應(yīng)用有所理解和掌握。這種方法,主要需要學(xué)生擁有一定的思維轉(zhuǎn)化能力、分析判斷能力,在原有問題條件不變的基礎(chǔ)上,懂得運用合理的物理量、物理模型等去將問題化簡。而不是一味地盯著題目不知變通,那樣不僅在考試中會浪費大量時間,影響整體成績。更對學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識過程中所存在的解題能力以及解題信心存在巨大威脅,影響學(xué)生的信心。從而隨著學(xué)習(xí)的不斷深入,學(xué)生們對于物理學(xué)科的知識學(xué)習(xí)會越來越?jīng)]有興趣。所以,教師需要將補償法的解題技巧教給學(xué)生,然后再結(jié)合物理學(xué)相關(guān)知識的練習(xí)題幫助學(xué)生進行強化訓(xùn)練。