高中物理教学中临界思维的培养

董存生

“状态”认识是研究物理规律的首要任务，对高中学生而言，状态分析是正确解题的前提，也是体现新课程理念下学生自主解决问题的基本能力。临界思维在物理学思维训练中相对困难，因为涉及到研究对象微妙状态的抽取，而且需将该“微妙”状态与基本理论相结合，找到能够定量求解的途径。高中物理教学中临界思维的培养必须以构建临界状态为基础，尤其对于高中力学、运动学章节而言，状态问题直接与受力问题相关，因此对临界点的把握至关重要。具体而言，物理教学中临界思维的培养是将物理问题微观化，进而将某个特定的物理过程转化为数学问题，进而能够将抽象的物理现象转化为具体的数学方程进行求解。

一、高中物理中典型的临界思维

临界思维的应用基础在于临界状态的认识，通俗地讲，临界状态也称为边界状态，是指研究对象在某个力的作用下从一种状态即将过渡到另一种状态，该“临界点”处研究对象具有典型的物理规律，通常能够将该状态与教材基本理论发生对应，进而列出具体的理论公式。某种意义上，临界思维的运用对解题起到承前启后的作用，因此所对应的物理规律具备连续性，亦即该状态所具备的能量、速度、受力情况以及对应的动力学、静力学、运动学等规律具备前后连续性，为成功解题提供了诸多已知元素。

1.复杂力学场中临界思维的运用

电磁场涉及到的运动学是高中物理学中难度较大的章节，成功解题的前提要求学生掌握全面的电磁学以及力学综合知识，然而对该类综合性力学场问题的求解必须通过恰当的物理思维进行梳理，通常临界思维是解决复合场问题的有效途径。

例如，如图1存在竖直向下的电场，其强度为E；同时，存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁感强度为B。一带电小球m在该复合场中运动，如果该小球在垂直于磁场的竖直平面内做恰好匀速圆周运动，轨道半径为R。则该小球带何种类型的电荷？试描述其运动特征？

分析：本题中属于典型的复杂受力模型，未知电性的带电小球至于其中能够“恰好”做匀速圆周运动，是本题应用临界思维的突破口。首先，使得小球在竖直平面做匀速圆周运动的前提是竖直向上的方向上存在作用力，并且该作用力与重力平衡。根据题设已知竖直方向上存在匀强电场，因此电场力与重力平衡后使得小球仅在洛伦兹力的作用下匀速圆周运动。据此在结合小球的运动轨迹不难判断出小球带负电。

本题中，临界状态可以视为“恰好”做匀速圆周运动，可以根据圆周运动进行确立，亦即带负电的小球做圆周运动的轨迹特征取决于洛伦兹力的方向和大小，进而列出力学方程。由于带负电，电场方向竖直向下，因此可以根据左手定则确定只有当电子顺时针运动时才能产生如图所示的圆周轨迹。

2.斜面受力模型中的临界思维

高中物理学科中的边界问题通常涉及力学、运动学知识，通常解题技能的高低取决于对力学模型的自我总结与归纳。其中斜面上力学问题是高中物理中最常见的受力分析模型之一。该模型中主要以力学受力分析为主线，应用到力在不同方向的正交分解等。然而复杂的斜面问题往往将研究对象的状态复杂化，譬如涉及到动态的斜面问题时，传统的受力分析很难找到有效的定量关系，此时临界思维能够发挥有效作用。众所周知，物体状态由所受的外力情况决定，因此临界问题归根结底是研究物体受力的临界情况，主要是体现物体受力平衡的情况即将被破坏或者即将不被破坏的微妙状态。从力学角度分析临界状态能够很直观的列出受力平衡方程，借助常规的数学处理技巧即可较为容易的完成力学问题的求解。

例如，倾角为θ的粗糙斜面上（动摩擦因数为μ

分析：本题中的临界状态应该抓住关键字眼“恰好”静止于斜面，意味着推力F的施加与其他未知力的综合效果使得物理静止于此。然而，此时物体静止并非不具备运动的趋势，如果能够从此临界状态中探究出运动趋势与F满足的条件存在关系，就能够使得临界思维发挥最大的效用。

静止意味着物体可能具备沿斜面向上的运动趋势，也可能具备沿斜面向下的运动趋势，根据不同方向的运动趋势可以确定推力F的范围，在具体求解中可以沿着斜面进行F的正交分解，再根据临界状态所要求的力学平衡，沿斜面方向上受力平衡，并且该临界状态下斜面产生的最大静摩擦力可以认为等于滑动摩擦力，继而列出力学平衡方程即可。

显然，该题对于斜面问题的临界状态是围绕平衡力展开，然而，对静止的物体运动趋势的判断中，有效采用了临界思维，使得对物体潜在运动趋势的分析更加全面，充分挖掘出了“恰好”静止在斜面上的隐含信息，进而有效提升了学生自主解决问题的能力。

二、结语

临界思维的培养是新课程理念下技能培养的有效途径，通过临界思维能够挖掘题目隐含的物理学规律，是成功解题的中枢纽带。高中物理教学中典型复合场问题以及斜面问题处理是锻炼学生边界思维的有效模型，通过对特殊状态的抽取，寻找定量的力学方程，进而使得临界问题成为解题的突破口。

（作者单位：江苏省涟水中学）