張 鶴 柏露枝

(江蘇省常州市北郊高級中學，江蘇 常州 213031)

簡化思維也可稱為原點思維或起點思維,它是指從問題的原點或起點出發(fā),通過分析與綜合、推理與判斷、比較與類比等思維方式,對問題進行研究的基本思維形式.簡化思維既是物理核心素養(yǎng)的組成部分,也是研究物理問題的思維導向和探究物理、體悟物理、相約物理的心理動機．

1 從簡而入,讓探究更高效

科學探究與科學思維是物理核心素養(yǎng)的兩個重要組成部分.科學探究和科學思維是互相支持、彼此融合、相互促進的統(tǒng)一整體．毋容置疑,科學探究能力包含科學思維能力,科學思維能力能夠促進科學探究能力的提升,科學探究能力同時又能促進科學思維能力的提高．

實驗探究是科學探究的重要方式,數(shù)據(jù)處理是實驗探究的重要環(huán)節(jié),圖像法是處理實驗數(shù)據(jù)的重要方法,圖像法處理實驗數(shù)據(jù)具有簡便、直觀、誤差小的優(yōu)點．而直線是最簡單、最基本、最易確定的一種物理圖像,曲線則是比較復雜、難以確定是什么曲線的一種物理圖像,因此,基于簡化思維,從簡單入手,即通過一定的坐標變換建立最簡單的直線圖像,以此方便簡捷地得出探究結論．在探究加速度與質量的關系實驗中,實驗中測出加速度和質量兩個物理量,在a-M坐標系中描點連線得到如圖1所示的圖像,由于曲線的復雜性和多樣性,該曲線是反比例函數(shù)的雙曲線還是其它函數(shù)的雙曲線則難以確定．因此,從簡化思維出發(fā),變換坐標嘗試畫出直線圖像．首先通過對實驗測定數(shù)據(jù)的考察發(fā)現(xiàn),在力一定的條件下,物體的質量越大加速度越?。浯?根據(jù)a-M圖像是曲線,可以肯定a-M2、a-M3…等的圖像一定也是曲線．第三,要畫出a-M-1、a-M-2…等圖像,從最簡單的坐標關系入手,畫出a-M-1的坐標關系圖像,通過描點、線段擬合得到一條過原點的直線如圖2所示,從而得到加速度與質量的倒數(shù)成正比,即加速度與質量成反比的探究結論．同樣在探究氣體等溫變化規(guī)律的實驗中,用簡化思維的思想也能夠得到壓強與體積成反比的探究結論．顯然,用簡化思維對實驗數(shù)據(jù)處理,并從最簡單、最基本的直線圖像入手,能夠使實驗探究省時、省力、高效．

圖1

圖2

2 以簡馭繁,讓論據(jù)更充分

物理學是以動力學為基礎,分別沿著從宏觀到微觀、從具體到抽象、從簡單到復雜的線路發(fā)展起來的．應該說,宏觀的物體、具體的現(xiàn)象、簡單的理論是物理學發(fā)展的前提和基礎．因此,從簡單到復雜,化復雜為簡單,用簡單的理論解決復雜的問題,在物理學理論的發(fā)展過程中起到了重要作用．例如,微觀分子熱運動的理論是在宏觀物體機械運動理論的基礎上發(fā)展起來的；曲線運動的動力學理論是在直線運動動力學理論的基礎上發(fā)展起來的；抽象復雜的電磁學理論是在具體簡單的動力學理論的基礎上發(fā)展起來的,等等．

基于從簡單到復雜、化復雜為簡單、再從簡單到復雜的物理學研究邏輯,在物理學理論的發(fā)展以及在解決物理問題的過程中,“化曲為直、以直解曲”的物理思想方法發(fā)揮了極其重要的作用．

(1) 研究平拋運動.

平拋物體的運動是曲線運動的一種形式,而曲線運動是較直線運動更為復雜的一種運動形式,平拋運動位移和速度的研究,是在自由落體運動規(guī)律和勻速直線運動規(guī)律的基礎上,以簡化思維為向導,運用“化曲為直、以直解曲”的轉化思想和運動合成與分解的物理學理論,將平拋運動分解為最簡單的豎直方向的自由落體運動和水平方向的勻速直線運動,分別利用自由落體運動和勻速直線運動的規(guī)律求出這兩個方向上的位移和速度,然后在將豎直方向和水平方向的位移和速度合成為曲線運動的位移和速度．

(2) 重力做功特點.

圖3

重力對物體做功特點的研究,是在恒力做功計算公式W=Flcosθ的基礎上,運用“化曲為直、以直解曲”的轉化思想,將物體在空中運動的曲線分割為無數(shù)段很短的直線,如圖3所示,對每小段直線用功的計算公式寫出每小段直線上的重力做功,然后在將整個曲線上每小段直線上的重力做功相加,即可得到重力做功特點．

(3) 解決物理問題.

在我國南海上有一浮桶式波浪發(fā)電燈塔,其原理如圖4所示.浮桶內的磁體通過支柱固定在暗礁上,浮桶內置圓形線圈隨波浪相對磁體沿豎直方向運動,上下運動的速度v=0.4πsin(πt) m/s,且始終處于輻射磁場中．浮桶下部由內、外兩密封圓筒構成(圖乙中陰影部分),其內部為產生磁場的磁體,線圈匝數(shù)N=200匝,線圈所在處磁場的磁感應強度大小B=0.2 T,線圈直徑D=0.4 m．計算時取π2的值為10．求線圈中產生感應電動勢的最大值Em．

本題涉及模型建構,圓環(huán)曲線導體在輻射狀磁場中做切割磁感線運動,用磁通量變化模型分析較為抽象和困難,若沿空間將圓環(huán)“剪斷”并拉直成“直線”導體,導體所在位置處的磁場處處與導體垂直且大小相等.這個模型就變成了直線導體垂直切割勻強磁場磁感線模型,則線圈中產生感應電動勢的最大值為Em=NBLvm，其中L為線圈拉直后切割磁感線的有效長度,代入數(shù)值后得Em=64 V.

“化曲為直”,用“直線”來研究和解決“曲線”問題,體現(xiàn)了用簡捷了當?shù)姆椒ê鸵?guī)律處理復雜紛繁問題的簡化思維,這種以簡馭繁的簡化思維,使科學論證,過程詳實、論據(jù)充分．

圖4

3 因陋就簡,讓物理更親近

觀察和實驗是研究物理問題的基本方法．而鑒于不同學校實驗條件的差異,如何對缺少成品實驗器材的實驗,在簡化思維的意識下,用學生生活和學習中信手可得的簡陋物品為器材,最大限度地發(fā)揮演示實驗在課堂教學中的作用,對提高物理課堂教學效益具有重要意義．現(xiàn)舉例說明.

(1) 用兩個手指捏住物理課本靜止不動,如圖5所示,課本由于受重力的作用相對手指有向下運動趨勢,其受到手指對它的靜摩擦力方向豎直向上,然后讓課本沿水平方向、豎直向上和向下方向,或者其他任意方向勻速運動,課本受到手指的靜摩擦力方向始終豎直向上．這個現(xiàn)象說明靜摩擦力的方向與物體運動的方向可以相同、可以相反、可以成任意角度．

(2) 取一段包扎商品用的聚丙烯塑料繩,從繩的一端將它撕成許多細長條,用一只手提著繩子的上端,另一只手(干燥、清潔、無汗?jié)n)握著繩,由上而下迅速摩擦幾下,細長條就會因帶同種電荷排斥膨松而散開,把它靠近衣服會看到細長條被吸附到衣服上,如圖6 所示．

圖5 圖6

用學生生活和學習中的簡易物品做實驗,既體現(xiàn)了生活是物理之源、觀察是物理之眼的物理觀,也體現(xiàn)了因陋就簡的簡化思維在物理教學中的運用;既拉近了物理與學生之間的距離,又增強了學生對物理的親近感,從而激發(fā)學生物理學習興趣和增強學生物理學習動力．

4 化繁為簡,讓近似更合理

理想化的方法是研究物理的基本方法,現(xiàn)實的客觀物體、實際的物理過程、直觀的實驗現(xiàn)象都具有一定的多樣性和復雜性．基于簡化思維,在一定的條件下,可以忽略對研究問題影響甚小的次要因素,或者對影響實驗現(xiàn)象相關因素的合理外推,以此對實際客體、過程和現(xiàn)象加以理想化,進而化繁為簡,此乃發(fā)現(xiàn)物理理論的智慧之舉．

試探電荷又叫檢驗電荷,是用來檢驗電場是否存在及其強弱分布情況的電荷.由于試探電荷的電荷量和體積都很小,其對被檢驗電場的影響可以忽略.試探電荷是一種理想化的物理模型,從而可以用試探電荷來檢測電場的強弱,進而引入電場強度這一物理量來描述電場的強弱屬性,以此提高人們對電場性質的認識,同時也為電磁學理論的建立和發(fā)展奠定了理論基礎．

質點、點電荷、理想氣體、自由落體運動、絕熱過程等這些化復雜為簡單的理想化物理模型,在物理學的研究和物理解題過程中,讓研究更深入,讓近似更合理．請看對下面一例的分析．

圖7

真空中一個半徑為R的均勻帶電球面帶有電荷量Q．今在球面上挖去非常小的一塊面積ΔS(連同電荷),如圖7所示,假設不影響其他處原來的電荷分布,求挖去小面積ΔS后球心處電場強度的大小．

挖去非常小的一塊面積ΔS后,球面的形狀由規(guī)則變?yōu)椴灰?guī)則,求這個不規(guī)則形狀的均勻帶電面在球心處的電場強度大小,直接從不規(guī)則帶電面用中學物理知識難以求解,基于簡化思維的思想,化繁為簡是求解圓心處電場強度大小的唯一出路,因此求解此題的基本思路是,首先要把挖走的帶電小面積ΔS取回重新將球面補完整．其次要考慮面積ΔS非常小(相對球面)這一條件,在這個條件下帶電小面積可以看成是一個點電荷．第三要考慮由于對稱性,完整帶電球面球心處的電場強度一定為0．第四要考慮球心處的電場強度是帶電小面積ΔS與挖去小面積ΔS后剩余部分帶電面二者在該處產生的電場強度的疊加．因此,從簡單的規(guī)則球面展開思維,將帶電小面積ΔS看成點電荷,進而將復雜的問題轉化為簡單的問題,同時求解結果受帶電小面積ΔS看成點電荷的影響很小,說明這種近似更為合理．

5 辭(式)簡理博,讓理解更深刻

物理學理論中,不論是物理定律的語言表述,還是物理定律的公式表達,都具有辭(式)簡理博之特點,辭簡理博意在“辭(式)”中有“理”、“簡”中有“博”．鑒于簡化思維不是化簡思維,簡化思維意在“簡”中思維、“博”中思維,在“簡博”思維中促進理解的深入和升華,進而在辭(式)簡理博中,讓思維更活躍、讓理解更深刻．

在高中物理教材中,有3個物理定律的語言表述中出現(xiàn)了同一個字——“總”,分別是牛頓第一定律中的“一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)”、牛頓第三定律中的“兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等,方向相反,作用在同一條直線上”、楞次定律中“即感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化”,對這3個“總”的理解程度,分別影響著對這3個定律的理解程度,深入挖掘和深刻理解定律中“總”字隱含的物理意義,對理解這3個定律甚為重要．這里“總”字的文學含義是“一定,無論如何”,因此牛頓第一定律中“總”字的含義是:無論什么情況,無論什么條件,物體一定要保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài),也即保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)是由物體自身決定的,是物體自身固有的一種性質,與其他因素無關,這種性質就是慣性,也即這里的“總”字反映出物體的慣性之意．牛頓第三定律中“總”字的含義是:無論什么情況,無論什么條件,作用力和反作用力一定是大小相等,方向相反,作用在同一條直線上,作用力和反作用力的這種關系與其他一切因素無關．楞次定律中“總”字的含義是:無論什么情況,無論什么條件,感應電流的磁場一定要阻礙引起感應電流的磁通量的變化,也即這種阻礙不受任何條件影響．由此可見,每個定律中一個簡單的“總”字不但附著較為深刻的物理含義,而且能夠引發(fā)學生對物理定律的深刻理解．

總之,物理理論因“簡”而奇、而美,物理思維因“簡”而靈、而活,簡化思維讓人們與“理”相約、與“美”而遇．