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。 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)到的諸如平均速度、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,速度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)過上百次的實(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。 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)動的小球若不受摩擦阻力,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? 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。 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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