这高考物理试卷上往往会出现这样一类选择题:学生利用高中现有的知识可能无法推导出正确选项。但是可以根据平时所学知识,构建高中所熟知的物理模型,找到选项中所蕴含的特殊情况下的物理结论,对四个选项进行判断。 其实这种思维方法并非现代人的创造。在古代,科学家运用极限思维方法研究物理问题也取得了非常丰硕的科学成果。比如伽俐略就曾利用极限思维法成功研究了自由落体运动的规律及物体的惯性规律。 16世纪,伽利略为了研究落体运动规律建立了描述运动所需的概念。在高中学到的诸如平均速度、瞬时速度以及加速度等概念,就是伽利略首先建立起来的。 在伽利略的时代,技术不够发达,无法直接测定瞬时速度,所以也就不能直接得到速度的变化规律。 但是,伽利略通过数学运算得出结论:如果物体的初速度为0,而且,速度随时间的变化是均匀的,即v∝t,它通过的位移就与所用时间的二次方成正比,即。只要测出物体通过不同位移所用的时间,就可以检验这个物体的速度是否随时间均匀变化。 但是,落体下落得很快,而当时只能靠滴水计时,这样的计时工具还是不能测量自由落体运动所用的时间。 伽利略采用了一个巧妙的方法,用来“冲淡”重力。他让铜球沿阻力很小的斜面滚下,而小球在斜面上运动的加速度要比它竖直下落的加速度小得多,所用时间长得多,所以容易测量。 经过上百次的实验,结果表明,小球沿斜面滚下的运动的确是匀加速直线运动,换用不同质量的小球,从不同高度开始滚动,只要斜面的倾角一定,小球的加速度都是相同的。 不断增大斜面的倾角,重复上述实验,得知小球的加速度随斜面倾角的增大而变大。小球沿斜面向下的运动并不是落体运动。 但是,伽利略将上述结果做了合理的外推:当斜面倾角很大时,小球的运动不是跟落体运动差不多了吗?如果斜面的倾角增大到90°,这时小球的运动不就是自由落体运动了吗?伽利略认为,这时小球仍然会保持匀加速运动的性质,而且所有物体下落时的加速度都是一样的! 伽俐略的第二个经典实验(理想斜面实验)中同样运用了“极限”这一理想思维方法。 他推断:一个运动的小球若不受摩擦阻力,球将永远运动下去。 伽利略为了说明他的思想,设计了如图中所示的实验:让小球沿一个斜面从静止状态开始向下运动,小球将“冲”上另一个斜面,如果没有摩擦,小球将上升到原来的高度。减小第二个斜面的倾角,小球在这个斜面上仍将达到同一高度,但这时它要运动得远些。继续减小第二个斜面的倾角,球达到同一高度时就会离得更远。 于是他想到:若将第二个斜面放平,球会到达多远的位置? 结论显然是:球将永远运动下去,却不再需要什么力去推动。这就是说,力不是维持物体运动的原因。 当然,我们不能消除一切阻力,也不能把第二个斜面做得无限长,所以伽利略的实验是个“理想实验”。 这就是著名的理想斜面实验。这个实验为后来牛顿提出“牛顿第一定律”奠定了坚实的基础。 第一个实验中把斜面的倾角逐渐增大,最终大胆外推到竖直方向,从而得到落体运动的规律;第二个实验中把第二个斜面的倾角逐渐减小以至于放平从而得到了“力不是维持物体运动的原因”这样一个科学论断。这都是运用极限思维方法的生动案例。 下面让我们通过几道物理习题来感受极限思维的强大功能。 从上面的几道例题中可以看出,极限方法运用得当,就能实现“秒答”。不同的方法适用于相应的问题。具体问题要具体分析。 今天就到这里吧。 |
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