通过化归思想渗透提高解决物理问题的能力，本文主要内容关键词为：物理论文,能力论文,思想论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
化归思想方法是处理、研究解决实际问题的一种基本思想认知方法。用较轻松的语言来概括，化归就是转化，即把陌生的现象转化为熟悉的，把未知的条件转化成已知的，把复杂的过程及现象转化成简单的……物理问题的解决过程就是正确地转化，就是要善于在解决问题的过程中做好转化工作。化归思想的运用过程首先要把实际问题转化为物理问题，即建立物理模型；其次把物理问题转化为数学问题，即解方程和运算结果。这一思维过程可用如下框图表示。
作为一种思想方法的实践，要求在实际的学习过程中，不断进行渗透，通过实际的智力技能操作达到思维的自动运行的过程。
一、把陌生的转化为熟悉的
问题1 一平行板电容器的电容为C，两板间的距离为d，上板带正电，电量为Q，下板带负电，电量也为Q，它们产生的电场在很远处的电势为零。两个带等量异种电荷的小球用一绝缘刚性杆相连，小球的电量都为q，杆的长为L，且L＜d。现将它们从很远处移到电容器内的两板之间，处于图1中所示的静止状态（杆与板面垂直），在此过程中电场力对两个小球所做的总功大小等于多少？
图1
（设两球移动过程中极板上的电荷分布情况不变）
分析 审题中会发现，由于两板间的外侧是非匀强电场，求解移动电荷在非匀强电场的电场力做功有点困难，必须转换物理模型解决该问题。可作如下的建模尝试。
方法1 （等量异种电场线模型）由题可知，实际上两等量异种电荷的连接结构是物理中的电偶极子模型（简称电偶极子）。平行板之外电场的分布可等效为两等量异种电荷的电场分布，两电荷间的垂直平分面是电势为零的等势面（虚线所示），与无穷远处电势相等。
运动过程分三段（如图2）。
图2
(1)把电偶极子平放沿图中虚线等势面由很远处移到两板中央，电场力不做功；
(2)然后电偶极子以其连线上任意点转过90°，得到图示1的状态，电场力对电荷做负功；
(3)电偶极子保持图1形态在匀强电场中移动时，电场力对两电荷的总功为零。
全过程中只有转动过程［(2)过程］电场力做功，由于匀强电场的电场强度方向竖直向下，转动过程中电荷所受电场力始终在竖直方向（与转动方向相反），对两电荷分别做负功（如图3）。
图3
解 由电容公式，得匀强电场电势差
，匀强电场电场强度与电势差关系
，根据电场力做功公式有
。
方法2 （等效电荷量模型）由电偶极子带等量异种电荷，可认为电荷都集中在杆的中央，是个不带电体（电势为零）。将其移入匀强电场时，不受电场力作用，电场力不做功。进入匀强电场后，两小球向杆两侧移动时，所带电荷的电势发生变化，电场力对两电荷所做负功为电场力所做的总功（如图4）。
图4
每个小球移动距离相当于
。
把陌生问题转化为较熟悉的物理问题过程中，重要的是要对实际问题的现象进行深入的分析。首先要确定问题的知识范畴，即确定其所在的物理学内容；然后与相对应的物理基本模型进行对照分析，找到它们的共同点；再利用与模型相对应物理规律列方程求解；最后要根据实际情况判断其合理性及实际性。
二、把未知的转化为已知的
问题2 假设我们的宇宙就是一个黑洞，即光不可能射到宇宙之外。所以即使在宇宙之外还存在空间、还存在天体的话（这完全是一种假设——在历史上也有人提出过这一宇宙模型），那么，外面的天体看我们的宇宙就是一个大黑洞。试从这一假定出发估算我们的宇宙半径。设宇宙是密度均匀的球体，宇宙的平均密度约为
的数量级。
解析 由于黑洞是较陌生的模型，并且要求计算其半径，则可设宇宙质量为M，半径为R，则
由于黑洞的特征是光也不能从其表面射出，利用高中万有引力定律可知，光受到的黑洞所提供的引力绕其做圆周运动而不能脱离。设光子质量为m，光速为c，于是有
得黑洞的临界半径
。
所以
。
事实上，通过逆向变换，上式也可写成
。
这意味着如果质量一定情况下黑洞半径越小，黑洞的密度越大；黑洞的密度越小，黑洞半径越大。例如，对半径为1km的黑洞，其密度大到
的数量级；而目前对于宇宙的天文观测表明，宇宙的大小（总星系）为100～200亿光年，数量级恰好为
，其中是否仅仅是一种巧合还说不清楚。
……
黑洞作为一种智力想象而构建的模型，虽然神秘，但并不虚幻，在宇宙中实实在在地存在。尽管绝大多数的恒星级黑洞或者根本不在双星系统中、或者虽在其中但两星之间相距太远因不能吸积而被观察到，宇宙中星系级的黑洞仍处于间接论证的水平，但无论如何，视界的发现使得人类在探测黑洞的历史上向前迈出了决定性的一步；更为令人高兴的是，我们能够利用中学物理的有关匀速圆周运动、人造卫星的宇宙速度、能量守恒（引力势能表达式
）、光子概念、引力红移等物理知识对黑洞的本质有大概的把握。当然只要求我们的结果在数量级上保持正确就可以，但其意义远远超出了理解黑洞本身。
本类问题的特点，往往是结论及所要求解的问题是问题成立的条件，这就要根据实际把结论作为条件反推，即有逆向思维的推理过程。
三、把复杂的转化为简单的
问题3 据报道，1992年7月，航天飞机“阿特兰蒂斯”号进行了一项卫星金属悬绳发电实验，实验取得部分成功。航天飞机在赤道上空离地面约3000km处飞行，相对地面速度为
，从航天飞机上发射一颗卫星，携带一根长为
、电阻为800Ω的金属悬绳，使这根悬绳与地磁场垂直作切割磁感应线运动。假定这一范围内的地磁场是均匀的，磁感应强度为
，且认为悬绳上各点的切割速度都和航天飞机的速度相同，根据设计，悬绳中可产生3A感应电流。试求：①金属悬绳中产生的感应电动势；②金属悬绳两端的电压。
解析 金属悬绳切割磁感应线相当于普通直流电路的电源部分（有内阻的内电路），因为有持续的电流，总要有一个外电路，而且总可以认为金属悬绳的两端与外电路相联。在离地面3000km，那里是几乎没有空气的太空，存在所谓的范艾伦辐射带，有许多带电粒子约束在辐射带上。金属悬绳上接航天飞机，当其切割磁感应线在上下两端积累电荷时，上下均可能与辐射带上的电荷中和放电，好似外层空间构成闭合回路而形成电流。建立如图5的简单模型，赤道上方地磁场由南向北（向里），悬线AB在其中切割磁感线如图5所示。
图5
于是，根据法拉第电磁感应定律ε=BLv、闭合电路欧姆定律U=ε-Ir和电功公式W=IUt很容易计算出结果（具体从略）。尽管就问题的解决而言，我们不必弄清楚外电路究竟是怎样的，但我们仍感到物理情境的开放性对教学的挑战。
由此看出，较难于理解的物理情境往往与抽象后的简单物理模型相对应，我们在教学过程中，要不断地总结相关的典型物理模型，通过转化来实现问题的解决。
总之，化归思想是解决物理问题时的一种常用的思维分析形式，通过转化把情境较复杂、陌生的现象通过抓住主要因素，构建相关的最基本的模型来解决问题。也就是说解题的过程就是要把现象先化归成物理问题，再通过抽象简化成物理模型，然后根据相关的数学公式及运算来解决问题，最后使问题回归物理本质及实际生活实际，再进行分析以达到全面理解的目的。