高中物理動(dòng)態(tài)平衡問題研究

江蘇省響水中學(xué)(224600)

徐廣飛●

高中物理動(dòng)態(tài)平衡問題研究

江蘇省響水中學(xué)(224600)

徐廣飛●

物理過程的科學(xué)分析為成功解題奠定了基礎(chǔ)，如何在復(fù)雜的物理過程中準(zhǔn)確把握解題信息，取決于對(duì)狀態(tài)信息的提取，正確挖掘物理問題中的特殊狀態(tài)是成功解題的關(guān)鍵.高中物理過程相對(duì)復(fù)雜，包括平衡、非平衡以及臨界狀態(tài)等，研究對(duì)象所處狀態(tài)與基本原理的合理對(duì)應(yīng)是解決物理問題的紐帶.動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)在高中物理過程中蘊(yùn)含著多重量化信息，成功把握該狀態(tài)對(duì)解題具有舉足輕重的作用.

高中物理;動(dòng)態(tài)平衡;力學(xué)方程

研究對(duì)象所處的狀態(tài)決定了基本原理的應(yīng)用，是成功求解物理問題的關(guān)鍵.動(dòng)態(tài)平衡問題是高中物理中的特殊平衡狀態(tài)，符合力學(xué)平衡方程，然而該狀態(tài)對(duì)于大多學(xué)生而言把握相對(duì)困難，需要構(gòu)建臨界思維模式.物理思維的構(gòu)建需要依托客觀物理過程，課堂誘導(dǎo)的方向必須以提取有用信息為目的，因此動(dòng)態(tài)平衡問題的學(xué)習(xí)也是解題信息的攝取過程，是獲得定量關(guān)系的突破口.一般地，對(duì)物理教學(xué)中動(dòng)態(tài)平衡問題的把握，更加考驗(yàn)學(xué)生微觀思維的能力，要求學(xué)生對(duì)特定信息相對(duì)敏感，能夠在短時(shí)間提取有用信息，進(jìn)而列出具體的物理方程，定量求解.

二、高中物理中典型的動(dòng)態(tài)平衡問題

動(dòng)態(tài)平衡的應(yīng)用基礎(chǔ)在于對(duì)平衡狀態(tài)的認(rèn)識(shí)，只有在平衡狀態(tài)下方可應(yīng)用具體原理，進(jìn)而將物理問題具體化.平衡狀態(tài)的顯著特征是研究對(duì)象滿足受力平衡特征，因此具備明確的力學(xué)規(guī)律，從整個(gè)過程來看，動(dòng)態(tài)平衡可能是某非平衡過程的過渡點(diǎn)，因此也是物理求解中的“臨界點(diǎn)”或者“邊界條件”.一般而言，這種特殊的平衡態(tài)具有連續(xù)性，以及該狀態(tài)所體現(xiàn)的動(dòng)力學(xué)特征具有連續(xù)性，是物體從一個(gè)狀態(tài)向另一狀態(tài)的過渡，因此該狀態(tài)科學(xué)分析能夠?yàn)槲锢砬蠼馓峁└嗟囊阎畔?

1.復(fù)合場中動(dòng)態(tài)平衡問題求解

高中物理復(fù)合場問題是高考中的難點(diǎn)，涉及到多種場的共同作用，由于受力的復(fù)雜性，通常對(duì)該類問題的求解相對(duì)困難.然而，動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)往往是復(fù)合場問題的突破口，因?yàn)檠芯繉?duì)象通常在多種場的共同作用下處于平衡狀態(tài)，該狀態(tài)下研究對(duì)象所處的位置特性隨時(shí)間逐漸變化，亦即典型的動(dòng)態(tài)平衡特征.

例1 質(zhì)量為m的帶電微粒在電場、磁場以及重力場中恰好做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其軌跡處于磁場的垂直面內(nèi)，并且其圓周運(yùn)動(dòng)半徑為R，試分析該帶電微粒的電荷類型？現(xiàn)已知：電場與重力場方向豎直向下，電場強(qiáng)度為E，重力加速度為g；磁場方向垂直紙面向里，強(qiáng)度為B.

分析 首先該問題屬于典型的復(fù)合場動(dòng)態(tài)平衡問題，涉及到帶電微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡等.如上所述，動(dòng)態(tài)平衡問題的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確把握該特殊狀態(tài)的力學(xué)特性，“恰好”做圓周運(yùn)動(dòng)表明帶電微粒在電場力、重力、洛倫茲力的共同作用下處于平衡狀態(tài)，因此為了不使微粒豎直下落，必須存在豎直面內(nèi)向上的力，并且該力與重力等大、反向、共線.顯然，由于洛倫茲力與運(yùn)動(dòng)軌跡垂直，不能平衡重力在豎直方向的作用效果，能夠提供重力的平衡力的只能是電場力，又已知電場方向豎直向下，據(jù)此可確定微粒的帶電類型.

2.斜面問題中的動(dòng)態(tài)平衡

斜面問題是高中物理中常見的物理模型，通常研究對(duì)象為置于斜面上的物體，其難點(diǎn)在于如何準(zhǔn)確給出研究對(duì)象的受力情況.對(duì)于該問題的處理，同樣應(yīng)該在整合物理過程中尋求特殊“位置”，一般地，該類問題中的研究對(duì)象要么處于靜止，要么勻速直線運(yùn)動(dòng)，顯然對(duì)于這兩種狀態(tài)都能夠較為容易的列出具體的物理學(xué)方程.因此其關(guān)鍵在于如何科學(xué)理解特殊狀態(tài)，尤其對(duì)于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)的科學(xué)判定.斜面模型而言，物體與斜面間是否存在摩擦力決定了受力情況的復(fù)雜性.然而其基本理念依舊是力學(xué)平衡方程的求解.

例2 如圖2所示，質(zhì)量為m的物體在傾角為θ的斜面上勻速下滑，已知物體與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，并且受到水平向右的推力F的作用，試列出該過程的平衡方程.

分析 “勻速下滑”是本題中唯一的動(dòng)態(tài)平衡信息，勻速表明物體在垂直斜面方向與平行斜面方向上受到平衡力作用，因此可以具體列出平衡力方程.然而本題的關(guān)鍵在于目前已經(jīng)明確物體沿斜面勻速下滑，亦即已經(jīng)明確木塊具有沿著斜面向下的運(yùn)動(dòng)行為，物體與斜面間滑動(dòng)摩擦力的方向?yàn)檠匦泵嫦蛏?，因此沿斜面向上的力包括推理F的分力與滑動(dòng)摩擦力，而沿斜面向下的力只有重力的分力，據(jù)此可列出定量方程.該題中已知物體勻速下滑，因此該動(dòng)態(tài)平衡簡化了物理問題，若題目表明該物體處于平衡狀態(tài)，而并非一定沿斜面勻速下滑，該情況相對(duì)復(fù)雜，既包括動(dòng)態(tài)平衡也包括靜態(tài)平衡問題，尤其對(duì)于靜止?fàn)顟B(tài)而言，雖然物體與斜面間無相對(duì)滑動(dòng)，然而很可能存在沿斜面方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，因此處于平衡狀態(tài)下必須對(duì)推力F存在限定條件.顯然，動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)某種程度上可以簡化物理模型，為具體原理的應(yīng)用提供理論框架.

平衡問題是物理學(xué)問題求解的突破口，尤其在復(fù)雜物理模型中，尋找恰當(dāng)?shù)钠胶恻c(diǎn)是成功解題的關(guān)鍵.動(dòng)態(tài)平衡問題能夠具體對(duì)應(yīng)出研究對(duì)象所滿足的物理原理，明確物體受力情形.通常復(fù)合場問題以及斜面問題的動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)，能夠幫助學(xué)者迅速找出力學(xué)關(guān)系，是成功解題的中樞紐帶.

[1]劉奇煜. 高中物理力學(xué)綜合題解題技巧探究[J]. 中學(xué)生數(shù)理化(嘗試創(chuàng)新班), 2014(6).

[2] 張丹. 高中物理力學(xué)教學(xué)生活化策略探討[J]. 經(jīng)營管理者. 2016(27).

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