【摘要】物理抽象思維是用我們頭腦進(jìn)行判斷和推理，并用這種形式反映物理事物的運(yùn)動規(guī)律，以此實(shí)現(xiàn)認(rèn)識物理事物的本質(zhì)特征和內(nèi)在聯(lián)系的過程，它是以物理概念為起點(diǎn)進(jìn)行思維.本文討論中學(xué)生在學(xué)習(xí)物理學(xué)科的過程中，面對各種抽象的、不易理解的知識時，如何從物理概念出發(fā)，運(yùn)用各種物理方法發(fā)展學(xué)生的物理抽象思維能力，使學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的過程中，對所學(xué)的知識進(jìn)行深入的理解，增加學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果.

【關(guān)鍵詞】高中物理；抽象思維；學(xué)生培養(yǎng)

高中物理不僅知識范圍廣，而且知識的深度也在不斷增加，例如在初中只學(xué)習(xí)與生活息息相關(guān)的聲、光、熱、力、電等基本知識，到了高中，物理知識的抽象性和邏輯性明顯提升了一個層次，對學(xué)生的抽象思維能力提出了更高的要求.因此，在中學(xué)生學(xué)習(xí)物理過程中，培養(yǎng)學(xué)生的物理抽象思維能力就變得至關(guān)重要，本文將論述物理教師在教學(xué)過程中如何有效地對學(xué)生物理抽象思維能力進(jìn)行培養(yǎng).

1 教學(xué)運(yùn)用多媒體軟件，豐富學(xué)生表象

隨著科技的不斷發(fā)展，多媒體軟件在教學(xué)中已經(jīng)取得了不可替代的地位.多媒體可以使課堂教學(xué)更加生動有趣，學(xué)生們通過多媒體學(xué)習(xí)的過程也會使知識更加豐富.與傳統(tǒng)教學(xué)相比，多媒體所提供的圖象和動態(tài)圖等技術(shù)，使課堂上的教學(xué)情境更加生動有趣，從視覺聽覺兩方面對學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)生效果，能很好地吸引學(xué)生們的注意力.多媒體的課件通常由教師在課前準(zhǔn)備，這使得本節(jié)課的教學(xué)有了一個明確的思路，既增加了課堂中講授的內(nèi)容，也提高了課堂上教學(xué)的效率.多媒體運(yùn)用最重要的作用是豐富了學(xué)生的表象，提高了學(xué)生抽象思維能力.在物理教學(xué)中，現(xiàn)代多媒體教學(xué)軟件如MATLAB的運(yùn)用，可以使用可視化呈現(xiàn)各種靜態(tài)、動態(tài)場景.使用MATLAB模擬帶電粒子的運(yùn)動使得學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，從而更加深入地理解物理原理.

2 MATLAB輔助帶電粒子在電場中的運(yùn)動教學(xué)

在現(xiàn)代物理電學(xué)中，我們通常使用電場去對帶電粒子的運(yùn)動進(jìn)行控制與改變.通過電場力對粒子進(jìn)行加速，這是我們通過電場去控制帶電粒子的最簡單的一種情況.在此狀況下，帶電粒子的運(yùn)動速度方向與場強(qiáng)的方向相同或相反.在正式講授新課前，教師先讓學(xué)生們思考一下分析帶電粒子加速的問題、判斷不同情況下分別適合運(yùn)用哪種情境.學(xué)生通過思考，回答一種是在力學(xué)條件下，結(jié)合我們所學(xué)過的牛頓第二定律與勻變速直線運(yùn)動的狀態(tài)；另一種是通過功與能量之間的關(guān)系，將靜電力做功與動能定理相結(jié)合來分析.當(dāng)面對勻強(qiáng)電場一類的問題而且題中有時間等運(yùn)動學(xué)的物理量時，我們應(yīng)該運(yùn)用前一種思路分析題目；當(dāng)問題有關(guān)位移、質(zhì)量、速度、能量等物理量時或在面對非勻強(qiáng)電場情境時，我們通常使用后一種思路去進(jìn)行分析.

教師引導(dǎo)學(xué)生如何思考并分析帶電粒子加速問題屬于建構(gòu)主義理論，建構(gòu)主義主要強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)前自身已經(jīng)有相關(guān)知識的經(jīng)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，這種學(xué)習(xí)理論認(rèn)為學(xué)生每當(dāng)要學(xué)習(xí)新知識或者解決新問題時通常將新知識建構(gòu)在自己的已有經(jīng)驗(yàn)上，依靠自身的認(rèn)知來對新知識、新問題加以解釋.建構(gòu)主義認(rèn)為教師是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的協(xié)助者與合作者.建構(gòu)主義認(rèn)為教學(xué)并不是簡單地將教師的教轉(zhuǎn)換成學(xué)生的學(xué)，而是教師與學(xué)生共同相互學(xué)習(xí)的過程中，在學(xué)生遇到困難時對學(xué)生提供幫助和指點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生在自身的知識經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出新的知識經(jīng)驗(yàn)，教師在教學(xué)過程中主要起引導(dǎo)的作用.在教學(xué)中教師要分析哪種情況能夠較好地發(fā)揮學(xué)生的主動性、積極性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思維能力，提高學(xué)生的研究能力和創(chuàng)造才能，能很好地鍛煉學(xué)生多方面思考問題的能力，而且有利于活躍課堂氣氛和學(xué)術(shù)氛圍.

當(dāng)帶電粒子運(yùn)動的初速度方向與場強(qiáng)方向相互垂直時，靜電力方向和運(yùn)行速度方向也相互垂直，根據(jù)已經(jīng)學(xué)過的知識，學(xué)生們推斷帶電粒子在電場中的運(yùn)動軌跡將發(fā)生偏轉(zhuǎn).請學(xué)生們回想一下以前學(xué)習(xí)這類運(yùn)動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)的運(yùn)動是如何進(jìn)行研究的.學(xué)生們經(jīng)過討論得出，在勻強(qiáng)電場中，帶電粒子運(yùn)動軌跡是一條拋物線.對這種帶電粒子運(yùn)動的分析思路，跟平拋運(yùn)動是一樣的，不同的是平拋運(yùn)動物體所受到的是重力，而上述帶電粒子所受到的是靜電力.教師引導(dǎo)學(xué)生猜想在極板中間位置水平射入一個帶電粒子，該帶電粒子將如何進(jìn)行運(yùn)動，為了使學(xué)生更直觀地觀察到帶電粒子在極板間的運(yùn)動情況，教師使用MATLAB軟件仿真帶電粒子在平行板電場中的偏轉(zhuǎn)動畫.

戴爾的經(jīng)驗(yàn)之塔理論倡導(dǎo)教學(xué)應(yīng)逐步從具體轉(zhuǎn)向抽象，在學(xué)習(xí)中，我們首先要積累大量的直接經(jīng)驗(yàn)以此來做為間接經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ).在“塔”腰的視聽教學(xué)媒體能為學(xué)習(xí)者提供一種戴爾所謂的替代經(jīng)驗(yàn)，對解決學(xué)習(xí)中具體經(jīng)驗(yàn)和抽象經(jīng)驗(yàn)之間的矛盾具有極大作用.高中物理對學(xué)生的抽象思維能力的要求相對要高，因此在教學(xué)過程中合理運(yùn)用物理圖象功能，可以使物理知識的抽象性變成具體的物理情境，有利于拓展學(xué)生分析和解決物理問題的思路，所以，物理圖象在高中物理教學(xué)中有重要功能.

例如 現(xiàn)根據(jù)MATLAB演示圖象假設(shè)正負(fù)極板長度為L，相距為d，極板間的電壓為U，形成勻強(qiáng)電場.現(xiàn)在水平射入一個初速度為v0的電子，求電子射出電場時沿垂直于板面方向偏移的距離y.

（學(xué)生作答）解 電子在電場中的加速度是a=Fm=eEm=eUmd電子射出電場時，在垂直于板面方向偏移的距離為y=12at2.其中t為飛行時間.由于電子在平行于板面方向不受力，所以在這個方向做勻速直線運(yùn)動，由L=v0t可求t＝1v，于是電子在垂直于板面方向偏移的距離為y=eUl22mdv20.

布魯納認(rèn)為，學(xué)習(xí)者不是被動地接受知識，而是主動地獲取知識，并通過把獲得的新知識和已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)聯(lián)立起來，積極地構(gòu)建其知識體系.教師在教學(xué)過程中要引導(dǎo)學(xué)生將新知識與過去已經(jīng)學(xué)的知識建立起聯(lián)系，從而經(jīng)過自己的認(rèn)知思考獲取新知識體系.

3 MATLAB輔助帶電粒子在磁場中的教學(xué)

在學(xué)習(xí)完洛倫茲力的概念后，教師引導(dǎo)學(xué)生們一起來思考一下以下幾個問題.洛倫茲力在什么平面內(nèi)；洛倫茲力方向怎么變化、大小怎么變化；對運(yùn)動電荷是否做功；洛倫茲力對運(yùn)動粒子起著什么作用；帶電粒子在磁場中運(yùn)動具有什么特點(diǎn).學(xué)生在教師的引導(dǎo)下總結(jié)當(dāng)帶電粒子在磁場中運(yùn)動時，洛倫茲力的方向總與其運(yùn)動的速度方向相互垂直，所以洛倫茲力的存在并不會對帶電粒子運(yùn)動速度的大小產(chǎn)生改變，也就是說，洛倫茲力不對帶電粒子做功.接下來教師將帶領(lǐng)學(xué)生來探究受洛倫茲力作用的帶電粒子是如何運(yùn)動的.學(xué)生經(jīng)過分析得出，由于帶電粒子在運(yùn)動的過程中它的速度的大小并不會發(fā)生改變，帶電粒子在運(yùn)動中的洛倫茲力的大小也不改變，而且洛倫茲力的方向總與速度方向垂直，根據(jù)我們學(xué)習(xí)過的圓周運(yùn)動，學(xué)生們推導(dǎo)出洛倫茲力應(yīng)該是提供了一種向心力.所以，沿著與磁場垂直的方向射入磁場的帶電粒子，在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動.

教師提問：帶電粒子的質(zhì)量為m，電荷量為q，速率為v，它在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動，求軌道半徑與粒子運(yùn)動周期.教師基于在帶電粒子運(yùn)動過程中洛倫茲力起到向心力的作用，向?qū)W生提問向心力和洛倫茲力大小公式，從而引導(dǎo)學(xué)生推出帶電粒子的運(yùn)動半徑與周期.

4 MATLAB輔助帶電粒子在復(fù)合場中的運(yùn)動教學(xué)

帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動包括帶電粒子在勻強(qiáng)電場、勻強(qiáng)磁場及復(fù)合場中的運(yùn)動，是高考的重點(diǎn)和難點(diǎn).該題運(yùn)動情境復(fù)雜，涉及知識面廣，將多方面知識有機(jī)地結(jié)合起來，題目難度偏大，對考生的抽象思維能力、綜合分析能力及解決物理問題的能力有著較高的要求，是物理這門學(xué)科在高考中常見的壓軸題.

帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動問題屬于場的性質(zhì)和力學(xué)規(guī)律的綜合應(yīng)用，解決此類問題以力學(xué)思路為主線，可設(shè)置從運(yùn)動和力的觀點(diǎn)解決帶電粒子在電場中的加速和偏轉(zhuǎn)問題，從運(yùn)動和力的觀點(diǎn)解決帶電粒子在磁場中的圓周運(yùn)動問題.然而帶電粒子的運(yùn)動問題非常抽象，對高中學(xué)生解決該類問題造成了巨大困難，因此教師應(yīng)使用MATLAB等多媒體軟件幫助學(xué)生更深入地對帶電粒子的運(yùn)動問題進(jìn)行理解.對于該類問題應(yīng)幫助學(xué)生區(qū)分在不同種場中，帶電粒子運(yùn)動的情況分別是怎樣的，以便于學(xué)生能在日后做題的過程中對于不同種電磁場的情況能夠加以區(qū)分，清晰透徹地對習(xí)題進(jìn)行理解，從而更好地解決物理問題.帶電粒子的運(yùn)動主要分為以下幾種類型.

4.1 電場強(qiáng)度不為零，磁場強(qiáng)度為零

若只存在勻強(qiáng)電場，當(dāng)帶電粒子以初速度v0射入電場中，此時帶電粒子在電場力的作用下運(yùn)動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，此時運(yùn)動軌跡為拋物線.

4.2 電場強(qiáng)度為零，磁場強(qiáng)度不為零

若只存在勻強(qiáng)磁場時，磁場會對帶電粒子產(chǎn)生洛倫茲力.如果粒子射入磁場方向與磁場B方向垂直，則帶電粒子會在垂直與恒定磁場B的方向與速度v的方向確定的平面內(nèi)做圓周運(yùn)動，此時帶電粒子的運(yùn)動可視為二維運(yùn)動.

我們所學(xué)過的回旋加速器就是利用帶電粒子在電磁場中的二維運(yùn)動，在電場中粒子受到電場力做勻加速運(yùn)動，加速到磁場后做勻速圓周運(yùn)動，這樣便可以不斷地實(shí)現(xiàn)對帶電粒子的短距離加速運(yùn)動，從而使帶電粒子獲得更快的速度.回旋加速器的過程雖然不復(fù)雜，卻十分抽象，因此要想使學(xué)生真正對回旋加速器進(jìn)行徹底理解，在教學(xué)中還需要利用MATLAB對學(xué)生進(jìn)行演示，使學(xué)生對回旋加速器知識有更深的理解.

然而，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B與粒子的速度v成任意角θ時，我們的帶電粒子運(yùn)動軌跡卻發(fā)生變化，射入磁場的粒子初速度v可分解為平行于B的分量大小v·cosθ和垂直于B的分量vsinθ，因此質(zhì)點(diǎn)將以平行于磁場的速度沿著磁場方向做勻速直線運(yùn)動，而對于垂直于B的速度分量，磁場是橫向的，因而粒子做圓周運(yùn)動，這兩種運(yùn)動的合運(yùn)動是螺旋運(yùn)動.

4.3 電場和磁場同時存在

當(dāng)電場和磁場同時存在時，帶電粒子的運(yùn)動情況具有多樣化，而不是像只存在電場或磁場那樣僅靠受力分析以及運(yùn)動的疊加就能推演出來.因此，MATLAB仿真模擬在電磁場同時存在的情況下更加重要.

4.3.1 帶電粒子射入同向電磁場

當(dāng)電場方向與磁場方向平行時，此時帶電粒子斜射入同向恒定的電磁場將會同時受到電場與磁場的相互作用.與只受磁場作用的粒子相比，在同向電磁場中運(yùn)動的粒子在做等距螺旋運(yùn)動的同時也會受到一個與磁場方向一致的電場力.如果粒子帶正電，電場力將使粒子在電磁場方向做勻加速運(yùn)動；如果粒子帶負(fù)電，則粒子會在電磁場方向做勻減速運(yùn)動，此時結(jié)合帶電粒子斜射入磁場中的運(yùn)動，我們用MATLAB仿真出帶電粒子射入同向恒定電磁場的運(yùn)動軌跡.（1）當(dāng)粒子帶正電時，粒子運(yùn)動為螺距隨時間線性增加的螺旋運(yùn)動；（2）當(dāng)粒子帶負(fù)電時，粒子運(yùn)動為螺距隨時間線性減少的螺旋運(yùn)動.

4.3.2 帶電粒子射入垂直方向電磁場

當(dāng)磁場和電場同時存在時，電場與磁場方向相互垂直，帶電粒子以初速度v0沿與勻強(qiáng)磁場的方向夾角為60°的方向進(jìn)入復(fù)合場中運(yùn)動，在帶電粒子的運(yùn)動過程中，同時受洛倫茲力和垂直于磁場方向的電場力的作用.因此，帶電粒子在復(fù)合場中做斜的螺旋運(yùn)動.

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