初中物理力学问题的解题思路指导

吴 俊

(江苏省苏州市常熟市锦荷中学,江苏 苏州 215500)

力学是初中物理的重要内容,不仅同生活实际联系紧密,而且可以结合运动学、电学等其他物理知识构成综合题,对学生解题能力提出了更高的要求.然而,在求解力学问题时,由于缺乏明确的解题思路与有效解题方法的支持,许多学生容易陷入解题困境,无从下笔.为了帮助学生突破力学问题的解题难关,有必要指导他们形成正确的解题思路,掌握丰富的力学问题解题方法与技巧,确保不断提高他们的力学问题的求解能力.

1 认真审题,挖掘有价值的解题信息

作为解题的第一步,审题可以深入挖掘题目当中有价值的解题条件及信息,有效把控题目当中所要表达的核心思想与内容.许多初中生无法正确求解的一个重要原因是没有深入理解或者没有牢固掌握基础知识,或者无法分辨力学题目中有价值的关键信息,这些都是力学题目在审题时需要高度重视的要点所在.

力学题目常常会涉及相似性较强的物理概念,如重量和质量、动能和动量、加速度和速度等等,这些概念本身仅有一字之差,但在含义与意义方面却有非常突出的差异性,进而会因为概念混淆而造成解题错误.此外,在审题过程中要注意传授给学生一些必要的审题小技巧与方法,如对其中关键的解题信息与条件进行有效的标识,可以使学生更加高效地确定题干中有价值的信息及条件.比如,“现有同种材料和质量的空心盒子与实心球各一个,将实心球放入封闭空心盒子中,发现它们恰好悬浮于水中.假定实心球和空心盒子用细线连接后静止于水中,有1/8体积露出水面,此时绳子的拉力是40 N,试求材料的密度与空心盒子的体积各是多少?”针对这道力学问题求解,在审题过程中重点标注关键信息与条件,来帮助学生快速找到解题的突破口.经过认真剖析问题,学生快速确定“同种材料”“同种质量”“恰好悬浮”“露出1/8体积”等关键条件,为后续的受力分析做好铺垫,避免因为审题不清而影响题目的顺利求解.

2 受力分析,明确对象整体受力情况

在认真审题的基础上,明确研究对象,对它的受力情况进行认真剖析,灵活地利用三角形受力分析法或平行四边形受力分析法,通过受力分析来列出求解问题的相关方程或等式.特别要注意,在开展受力分析过程中综合考虑一切能够影响最终结果的受力分析指标及要素,避免因为受力分析不全或者重复分析而影响结果的准确性.此外,为了提高初中生受力分析的效率与准确度,必须要保证他们在该方面具备一定的基础知识,如在不受力状态下或者受到平衡力的作用下,合力是零,此时物体处于平衡状态;在同一物体上作用平衡力,那么二力在同一直线上,方向相反,大小相等;力的作用是相互的,等等.基于上述基础知识的运用,才能保证初中生在开展受力分析的过程中做到有据可依,避免因为自身基础知识储备不足而影响结果的准确性.

例1如图1,某一斜面上静止一个重力为G的铁块,那么斜面对铁块本身的作用力大小情况是( ).

A.=GB.>GC.

图1 例1题图 图2 例1题解析图

解析针对本道考查力学知识的选择题求解,难度较小,但却考查了初中生对受力分析基本步骤以及相关基础知识的掌握情况.将铁块A作为研究对象,受力分析如图2.由于斜面上A保持静止状态,可以确定A受到平衡力,即铁块受到斜面的支持力N和摩擦力f之间所形成的合力F,与铁块的重力G相平衡,即F=G,故选A.

例2如图3,在某一表面粗糙程度保持一致的水平地面上放置一个物体A,施加水平拉力F=16 N后使其做匀速直线运动.物体B保持静止,其同水平绳之间连接的弹簧测力计示数T是4 N.试求物体B受到物体A的摩擦力?

图3 例2题图

解析本道力学题中包含多个研究对象,需要注意系统化梳理整个体系中相关对象彼此之间的传力情况,在此基础上,对整个受力情况进行明确.首先以物体B为研究对象,由于B静止,故处于平衡状态,受力分析见图4(a),有fA→B=T=4 N,方向:水平向右.

根据力的作用相互性特征,确定物体B对A的摩擦力fB→A=4 N,方向:水平向左.然后以物体A为研究对象,由物体A做匀速直线运动可知其受力平衡,见图4(b),有f地+fB→A=F,f地=F-fB→A=16 N-4 N=12 N.

图4 例2题解析图

在开展受力分析期间, 要注意做到具体问题具体分析,避免盲目开展受力分析而对最终结果带来不利影响.比如,在液体中保持静止状态的物体本身处于受力平衡状态;将容器中液体、容器和浸入液体中的物体三者看成一个整体的时候,此时整体也是保持受力平衡状态的,不需要考虑系统内部彼此之间的作用力,这样可以极大地简化整个问题的分析过程.

图5 例3题图

例3如图5,底面积是100cm2的容器内,一个重为10 N的木块浸没在水中,细线的拉力是2 N.将细线剪断之后且当木块静止时,水作用在容器底部的压强减少了多少?

图6 例3题解析图

同理,针对滑轮问题的求解也要注意做到具体问题具体分析,保证在确定研究对象的基础上准确开展受力分析,为求解方程的列出做好铺垫.

3 精选方法,简化整体受力分析过程

在求解力学问题的过程中,整个过程不是一成不变的,而是应该做到具体问题具体分析,尤其是要简化整个问题的受力分析过程,灵活选择和应用一些恰当的解题方法,如临界状态分析法、整体法、隔离法(局部分析法)等等,具体如下:

3.1 临界状态分析法

该方法同数学领域的极限分析法相似,主要是考虑某些极端特殊条件下的受力情况,以此可以更加快速地做出受力分析活动.这就需要对研究对象及受力过程本身是否可以划分成几个阶段或者涉及几个过渡点进行剖析,之后再进一步分析其中涉及的特殊临界条件是否可以成为解决问题的关键突破口.在具体的分析过程中可以重点关注题干中给出的“恰好”、“刚好”等处于临界状态的词语,因为这种临界状态下的受力分析往往成为解决问题的突破口与重要依据.

例4如图7,一个竖直且有磁性的粗糙墙壁上紧贴放置一个质量是M的铁块,铁块M受到竖直向上的拉力F,试对该铁块的状态以及对应的受力情况进行剖析.

图7 例4题图

解析针对本道力学题求解,常规的受力分析方式比较复杂,因为整个问题没有明确给出相应的状态,也没有给出具体受力的大小,所以抽象性比较强.而如果采取临界状态分析法,针对临界点进行剖析即可明确相应的受力情况.在墙壁本身吸引力的作用下非常容易判断铁块是否会受摩擦力,这样就可以依据摩擦力的方向来对重力、拉力作用下铁块的运动状态变化情况进行判断.

根据摩擦力的形成条件,可知要明确研究对象的运动情况或趋势.根据这一分析可以将其划分为几种情况:向下、向上与静止三种状态.其中前两种运动状态对摩擦力的判断非常明确,但是第三种在维持静止状态时相应的摩擦力判断难度比较大,因为这时摩擦力存在多种可能性.此时必须要借助临界状态分析法对相应的临界状态进行认真剖析,具体对应的“静止”状态下的各种临界状态表现如下:(1)M恰好静止,具有向下运动趋势;(2)M恰好静止,不具有任何运动趋势;(3)M恰好静止,具有向上运动趋势.

虽然上述几种情况下铁块M在墙上都保持静止状态,但是却对应不同方向上的摩擦力,这意味着临界状态对本道题的受力分析具有重要影响.在明确铁块M临界状态的基础上,不仅可以确定摩擦力f的受力方向,而且可以列出f、F、G三者的受力平衡关系式,即:如果铁块M有向上运动的趋势,那么有F=G+f,这时候f属于静摩擦力.同理,针对其他状态下的受力情况也可以进行分类讨论.

3.2 整体法

该法主要是将若干个彼此相关的物体看成一个整体来进行分析,忽略物体之间的内力,简化受力分析过程.

例5将等重的两球A和B放入水槽中,发现两球均漂浮在水面上,下列说法正确的是( ).

A.球A浸入水中体积更大

B.球B浸入水中体积更大

C.球A和球B两者浸入水中体积保持一致

D.无法确定

解析本道力学问题没有给出两球的质量以及液体密度的信息,所以许多学生会给出D这一错误选项.此时如果在分析问题中有效运用整体法开展受力分析,即将球A和球B两者看作一个整体,结合F浮=G排=ρ液gV排这一公式分析,可知两球重力、液体密度以及g等条件都保持一致,故可以确定两球浸入水中的体积保持一致,故选C.运用整体法开展受力分析,可以快速简化分析过程.

总之,力学问题求解是初中生物理学习中必须要攻克的一个学习难关,会对学生物理考试成绩产生极大的影响.由于力学问题的综合性与抽象性比较强,为了顺利求解问题,在注意指导学生牢固掌握物理基础知识的基础上,引导学生认真审题,明确研究对象开展受力分析,期间要善于灵活运用整体法、临界状态分析法等来简化整个问题的分析过程,保证可以最大程度提高学生力学问题的解题能力.