談高中物理中的改變與平衡思想

李枧芳

(新疆瑪納斯縣第一中學(xué) 新疆 瑪納斯 832200)

在高中物理所涉及的動(dòng)力學(xué)與電磁學(xué)部分中，當(dāng)我們研究物理現(xiàn)象時(shí)，狀態(tài)的改變是其重要特征，在改變的過(guò)程中，各個(gè)相關(guān)物理量之間相互聯(lián)系又相互制約，反映出特定的規(guī)律、概念和方法，通常我們會(huì)將特定的現(xiàn)象歸納為某一物理模型進(jìn)行處理。由于物理模型眾多，它們相互之間又彼此獨(dú)立，以致很多學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中抓不住其中的聯(lián)系，所以對(duì)高中物理的學(xué)習(xí)顯得相當(dāng)困難。筆者經(jīng)過(guò)十多年從事高中物理教學(xué)工作，總結(jié)出在動(dòng)力學(xué)和電磁學(xué)中許多的現(xiàn)象中都包含著改變與平衡的辯證關(guān)系，在此與大家分享。

自然界的物理現(xiàn)象，總是在不斷地發(fā)生、發(fā)展、改變，而我們所研究的物理學(xué)，就是想辦法找到這些現(xiàn)象其中的規(guī)律，并利用這些規(guī)律來(lái)反推曾經(jīng)的狀態(tài)或預(yù)測(cè)將來(lái)的狀態(tài)，以此指導(dǎo)我們的工作和生活。但是，要發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的規(guī)律談何容易？例如，對(duì)落體的研究，自古希臘時(shí)人們便以為重的物體下落地比輕的物體下落地快，而且深信不疑！而且，這個(gè)結(jié)論和我們?cè)谏钪锌吹降默F(xiàn)象基本一致。直到伽利略時(shí)代人們才認(rèn)識(shí)到，如果在不考慮空氣阻力的影響時(shí)，重的物體和輕的物體將下落得一樣快，由此得出了自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律?？墒沁@之間，已然經(jīng)歷了兩千多年！當(dāng)然，我們現(xiàn)在研究物理，已經(jīng)方便許多了，畢竟有了亞里士多德、伽利略、牛頓、法拉第、愛(ài)因斯坦等偉大的科學(xué)家們的努力，我們可以直接利用他們現(xiàn)成的研究成果，已經(jīng)可以解釋身邊的大自然數(shù)的物理現(xiàn)象了。今天，筆者要在這里分享的，并不是新的規(guī)律，而是包含在之前的規(guī)律當(dāng)中的一種解決問(wèn)題的思想，那就是我們觀察到的現(xiàn)象的改變，會(huì)向著新的平衡的方向發(fā)展。

在動(dòng)力學(xué)部分，實(shí)際研究的是物體的受力情況的改變對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。我們首先學(xué)習(xí)了物理的運(yùn)動(dòng)，然后學(xué)習(xí)力，然后學(xué)習(xí)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，再研究物體在共點(diǎn)力作用下的平衡。以上各部分內(nèi)容之間其實(shí)是有聯(lián)系的，但是由于學(xué)生剛接觸到高中物理時(shí)，往往還停留在關(guān)注現(xiàn)象的階段，所以當(dāng)他們看到一個(gè)過(guò)程中幾乎所有的物理量都在發(fā)生改變時(shí)，便一時(shí)手足無(wú)措。例如，在研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，一個(gè)過(guò)程中往往只包括了5個(gè)物理量：初速度V0，末速度v t ，加速度a，時(shí)間t，位移X0學(xué)生一下子頭就大了！當(dāng)我們從動(dòng)力學(xué)角度分析時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)過(guò)程的初狀態(tài)和末狀態(tài)都是穩(wěn)定的，由于受恒力作用產(chǎn)生的加速度也不發(fā)生改變，所以真正的變量只有時(shí)間t的延續(xù)以及空間位置的改變x，由此便可以列出它們之間的函數(shù)關(guān)系了。學(xué)習(xí)了牛頓運(yùn)動(dòng)定律之后，我們知道了力是使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變的原因，本來(lái)平衡的物體，如果受力情況發(fā)生改變，所受合力不再為零，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)便會(huì)由此而發(fā)生改變，但是這種改變是有規(guī)律可循的。例如，在需要考慮空氣阻力作用的情況下，自空中由靜止釋放一個(gè)物體：在釋放之前，我們可分析得出有外力與物體的重力平衡所以能夠保持靜止；在釋放之后，物體的受力情況發(fā)生改變而不再平衡，物體便在重力作用下加速下落，在加速下落過(guò)程中由于物體與空氣之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生了阻礙其向下加速運(yùn)動(dòng)的空氣阻力，而空氣阻力與物體的速度之間存在正相關(guān)的關(guān)系，因此，只要高度足夠高，空氣阻力都會(huì)增大到能夠與重力平衡，物體便會(huì)勻速下落，根據(jù)動(dòng)力學(xué)方法分析，物體實(shí)際做的是從靜止開(kāi)始，加速度逐漸減小的加速運(yùn)動(dòng)，最終勻速運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡狀態(tài)。由此，我們便可以聯(lián)想到，如果物體的狀態(tài)發(fā)生改變，則會(huì)受到阻礙其改變的作用，最終往新的平衡的方向發(fā)展。

在電磁學(xué)部分，我們首先學(xué)習(xí)靜電場(chǎng)，然后學(xué)習(xí)恒定電流，然后學(xué)習(xí)磁現(xiàn)象(主要是電流的磁效應(yīng))，再學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，再研究交流電原理和電磁波的形成和傳播。

在靜電場(chǎng)部分，假如有一塊導(dǎo)體，正常情況下會(huì)處于電中性狀態(tài)，其內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度處處為零，當(dāng)我們將其放在一個(gè)外電場(chǎng)中時(shí)，由于靜電感應(yīng)現(xiàn)象，會(huì)在沿電場(chǎng)方向的導(dǎo)體兩端感應(yīng)出等量異種電荷，因此會(huì)在其內(nèi)部形成與外電場(chǎng)等大反向的附加電場(chǎng)，根據(jù)電場(chǎng)疊加原理而導(dǎo)致在其內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)處處為零，沿著其表面移動(dòng)電荷時(shí)，電場(chǎng)力也不做功。這樣，當(dāng)原本的平衡被打破時(shí)，便在其內(nèi)部產(chǎn)生反向的附加電場(chǎng)來(lái)阻礙其改變，最終在導(dǎo)體的內(nèi)部便再次處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)，我們稱之為靜電平衡狀態(tài)。

在研究磁現(xiàn)象部分時(shí)，磁流體發(fā)電機(jī)是一個(gè)非常有意思的裝置：兩塊彼此平行放置的金屬板，之間有與它們垂直兩個(gè)永磁體的平行磁極形成的由N極出發(fā)進(jìn)入S極的磁場(chǎng)，當(dāng)有等離子體以一定的初速度v0垂直進(jìn)入這個(gè)磁場(chǎng)區(qū)間時(shí)，根據(jù)左手定則可以判斷，其中的正電荷受到洛倫茲力會(huì)向一個(gè)金屬板方向偏轉(zhuǎn)并聚集在板上形成正極，而負(fù)電荷由于受到與正電荷相反方向的洛倫茲力會(huì)向另一個(gè)金屬板方向偏轉(zhuǎn)并聚集在板上形成負(fù)極，兩金屬板之間便會(huì)形成由正極指向負(fù)極的電場(chǎng)，阻礙更多的電荷向極板上聚集，當(dāng)洛倫茲力與電場(chǎng)力平衡，等離子體便不再偏轉(zhuǎn)而勻速通過(guò)兩極板中間區(qū)域。

諸如此類的現(xiàn)象還有許多，我們都可以從中找到類似的關(guān)系，當(dāng)一個(gè)平衡的狀態(tài)被變化的環(huán)境條件打破時(shí)，便往往會(huì)產(chǎn)生新的制約條件來(lái)阻礙其繼續(xù)變化，直到新的平衡狀態(tài)被建立為止。掌握了這種思想，我們?cè)俜从^高中物理，便會(huì)發(fā)現(xiàn)有許多現(xiàn)象的改變當(dāng)中，都能找到這種不變的相同點(diǎn)，只要我們多歸納、多總結(jié)、多思考并應(yīng)用，便能以動(dòng)力學(xué)和電磁學(xué)為主干，將高中物理的內(nèi)容串起來(lái)了。事物總在變化，但我們“以不變應(yīng)萬(wàn)變”，根據(jù)“哪里有改變，哪里就有阻礙”的思想去分析、處理問(wèn)題，也許可以另辟蹊徑，最終解決問(wèn)題。