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利用'極限法'秒答物理選擇題

 當(dāng)以讀書通世事 2023-06-04 發(fā)布于甘肅

這高考物理試卷上往往會出現(xiàn)這樣一類選擇題:學(xué)生利用高中現(xiàn)有的知識可能無法推導(dǎo)出正確選項。但是可以根據(jù)平時所學(xué)知識,構(gòu)建高中所熟知的物理模型,找到選項中所蘊(yùn)含的特殊情況下的物理結(jié)論,對四個選項進(jìn)行判斷。

解決這一類選擇題往往需要利用極限思維方法把某個物理量推向極端,從而構(gòu)建符合高中學(xué)生認(rèn)知的物理模型,利用高中現(xiàn)有物理知識作出科學(xué)的推理分析,給出判斷或?qū)С鲆话憬Y(jié)論。該方法一般適用于題干中所涉及的物理量隨條件單調(diào)變化的情況.極限思維法在進(jìn)行某些物理過程分析時,具有獨(dú)特作用,使問題化難為易,化繁為簡,起到事半功倍的效果.

其實(shí)這種思維方法并非現(xiàn)代人的創(chuàng)造。在古代,科學(xué)家運(yùn)用極限思維方法研究物理問題也取得了非常豐碩的科學(xué)成果。比如伽俐略就曾利用極限思維法成功研究了自由落體運(yùn)動的規(guī)律及物體的慣性規(guī)律。

16世紀(jì),伽利略為了研究落體運(yùn)動規(guī)律建立了描述運(yùn)動所需的概念。在高中學(xué)的諸如平均速度、瞬時速度以及加速度等概念,就是伽利略首先建立起來的。

在伽利略的時代,技術(shù)不夠發(fā)達(dá),無法直接測定瞬時速度,所以也就不能直接得到速度的變化規(guī)律。 但是,伽利略通過數(shù)學(xué)運(yùn)算得出結(jié)論:如果物體的初速度為0,而且,隨時間的變化是均勻的,即v∝t,它通過的位移就與所用時間的二次方成正比,即。只要測出物體通過不同位移所用的時間,就可以檢驗這個物體的速度是否隨時間均勻變化。

但是,落體下落得很快,而當(dāng)時只能靠滴水計時,這樣的計時工具還是不能測量自由落體運(yùn)動所用的時間。 伽利略采用了一個巧妙的方法,用來“沖淡”重力。他讓銅球沿阻力很小的斜面滾下,而小球在斜面上運(yùn)動的加速度要比它豎直下落的加速度小得多,所用時間長得多,所以容易測量。

經(jīng)過上百次實(shí)驗,結(jié)果表明,小球沿斜面滾下的運(yùn)動的確是勻加速直線運(yùn)動,換用不同質(zhì)量的小球,從不同高度開始滾動,只要斜面的傾角一定,小球的加速度都是相同的。

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不斷增大斜面的傾角,重復(fù)上述實(shí)驗,得知小球的加速度隨斜面傾角的增大而變大。小球沿斜面向下的運(yùn)動并不是落體運(yùn)動。 但是,伽利略將上述結(jié)果做了合理的外推:當(dāng)斜面傾角很大時,小球的運(yùn)動不是跟落體運(yùn)動差不多了嗎?如果斜面的傾角增大到90°,這時小球的運(yùn)動不就是自由落體運(yùn)動了嗎?伽利略認(rèn)為,這時小球仍然會保持勻加速運(yùn)動的性質(zhì),而且所有物體下落時的加速度都是一樣的!

伽俐略的第二個經(jīng)典實(shí)驗(理想斜面實(shí)驗)中同樣運(yùn)用了“極限”這一理想思維方法。

他推斷:一個運(yùn)動的小球不受摩擦阻力,球?qū)⒂肋h(yuǎn)運(yùn)動下去。

伽利略為了說明他的思想,設(shè)計了如圖中所示的實(shí)驗:讓小球沿一個斜面從靜止?fàn)顟B(tài)開始向下運(yùn)動,小球?qū)ⅰ皼_”上另一個斜面,如果沒有摩擦,小球?qū)⑸仙皆瓉淼母叨取p小第二個斜面的傾角,小球在這個斜面上仍將達(dá)到同一高度,但這時它要運(yùn)動得遠(yuǎn)些。繼續(xù)減小第二個斜面的傾角,球達(dá)到同一高度時就會離得更遠(yuǎn)。

于是他想到:若將第二個斜面放平,球會到達(dá)多遠(yuǎn)的位置?

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結(jié)論顯然是:球?qū)⒂肋h(yuǎn)運(yùn)動下去,卻不再需要什么力去推動。這就是說,力不是維持物體運(yùn)動的原因。

當(dāng)然,我們不能消除一切阻力,也不能把第二個斜面做得無限長,所以伽利略的實(shí)驗是個“理想實(shí)驗”。

這就是著名的理想斜面實(shí)驗。這個實(shí)驗為后來牛頓提出“牛頓第一定律”奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

第一個實(shí)驗中把斜面的傾角逐漸增大,最終大膽外推到豎直方向,從而得到落體運(yùn)動的規(guī)律;第二個實(shí)驗中把第二個斜面的傾角逐漸減小以至于放平從而得到了力不是維持物體運(yùn)動的原因”這樣一個科學(xué)論斷。這都是運(yùn)用極限思維方法的生動案例。

下面讓我們通過幾道物理習(xí)題來感受極限思維的強(qiáng)大功能。

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從上面的幾道例題中可以看出,極限方法運(yùn)用得當(dāng),就能實(shí)現(xiàn)“秒答”。不同的方法適用于相應(yīng)的問題。具體問題要具體分析。

  今天就到這里吧。

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