数学知识在高中物理中的运用

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  在高中物理中经常能够发现数学知识的影子,因此在高中物理中运用数学知识不仅能够快速的解决物理问题,还能简化物理问题的求解过程,加快解题的速度,对学生学习物理知识有着极大的辅助作用.学生通过把数学图象和数学函数等知识应用在物理的学习中,还能把数学和物理灵活自如的进行转化,为将来的学习打下坚实的基础.
  1 数学知识在物理中运用需要注意的问题
  在高中物理的学习过程中,教师和学生都了解运用数学的价值和意义,同时也都能够有效的运用数学知识去处理物理难题,而在运用的过程中也需要注意两个方面的问题.
  1.1 控制好数学知识运用的力度
  数学和物理在本质上还是有区别的,有些在数学中行得通的概念和知识在物理中不一定可行,因此在物理中运用数学知识时必须要结合问题的实际状况,对不同的问题采取科学的解决方法才能获得最合理的答案.
  举这样一道物理问题为例:“一辆汽车以20 m/s的速度前行,在遇到紧急问题时,司机以4 m/s的加速度停车,问刹车6 s后位移为多少.”针对此类问题,问题中虽然是以6 s后的位移为问题,但汽车在5 s之后就已经暂停,最后1 s已经静止,在解答时很容易忽视实际的情况,造成解题错误,因此在处理问题时必须要结合实际状况,控制好数学知识运用的力度.
  1.2 避免把简单问题复杂化
  在处理物理问题时,通过数学知识的运用能够使其化繁为简,具有非常重要的作用,而相反,运用的不恰当就会使物理问题变得更加复杂.通过下面这个故事就能把这个问题合理的阐述出来:在给爱迪生做助手的数学系学生阿普拉身上发生过这样的一件轶事,某天爱迪生让阿普拉计算灯泡的体积,作为数学系学生的阿普拉经过多方测量、计算也无法准确地得出灯泡体积的准确值,但爱迪生却将灯泡注满水,通过将灯泡里的水注入量杯中轻松计算出了灯泡的体积.可见有时物理问题是很容易解决的,千万不能过于运用数学知识而导致问题变得复杂.
  2 数学方法在高中物理中的运用
  数学和物理之间有着千丝万缕的联系,数学知识对物理的学习有着极大的指导作用.在高中物理知识中,运用到了很多数学方法和技巧,因此合理的使用数学方法来处理物理问题能够有效锻炼学生的思维方式以及推理能力,具有非常重要的作用.
  例如用数学中的比例计算方法来解答这样的物理问题:汽车在踩下刹车之后直到停止需要5 s的时间,那么前2 s内位移同后3秒内位移的比例是多少.这个问题能够看作是反向的速度为零的匀加速直线运动,后3 s是反向初速度为零的匀加速运动的前3 s,前2 s是反向初速度为零的匀加速的后2 s,最终求得前2 s和后3 s内的位移比例.
  3 数学概念在高中物理中的运用
  数学知识中的很多概念同物理中的概念是相似的,因此在学习物理时教师可以引导学生站在数学的立场去分析问题.例如在数学中所谓的向量就是既有大小又有方向的量,其遵守三角形原则,而在物理中,力既有大小也有方向,遵守平行四边形原则.如长度、时间、质量等只有大小,而没有方向,称为标量;另外还有矢量,如位移、电场强度等.
  再如对平抛物体的运动轨迹进行分析时,学生只能说出抛物线的字眼,对抛物线的概念却一无所知.其实平抛物体的轨迹并不能完全称为抛物线,这是因为运动的过程中会受到一定的空气阻力,其实在求得x=v0t和y=gt2两个公式之后,只需要进行简单的调整就能得出轨迹的公式.由于在数学学习中学生已经对抛物线这部分内容有了一定的了解,因此在物理的相关学习中就会轻而易举.
  4 数学思想在高中物理中的运用
  4.1 逆向思想
  在学习高中物理的过程中,数学中的逆向思维方法具有非常重要的作用.在高中物理中,有些问题是比较复杂的,运用正常的思维方法进行解决时会很困难,甚至不能解答出来.而通过逆向思维方法,把物理问题解答过程中的末态转变为初态,反向分析物理问题,一方面能够使物理知识简化,另一方面也能使物理公式更易于理解,快速的解决物理问题,起到事半功倍的作用.
  4.2 图象思想
  通过图象能够把物理变化的过程体现出来,不仅能把物理知识中蕴含的规律直观的描述出来,还能把物理量之间的关系表现出来,发挥出了巨大的作用.使用图象来解决物理问题还能考察学生的识图、作图能力,对于一些难度较大的物理问题也能化难为易.
  如图1,分析质点A所对应的时刻,速度v和加速度a的变化情况.通过图象能够清晰的看出,当质点处于C位置时,位移x为振幅R,a达到了最大,而v为零;当质点处于B位置时,v达到最大,而a和x都为零.由此可见,数学图象思想在高中物理中的运用能够使物理现象更加直观,具有化繁为简的功效.
  4.3 对称思想
  所谓对称思想就是事物变化过程中的不变性,在处理物理问题时,通过对称思想能够极大的简化解题的过程,另外也能够培养学生的直觉思维能力.运用数学对称思想解答物理问题时,最重要的是要具有敏锐的洞察力,能够及时找出其中存在的对称性,同时这也是快速解决问题的最佳途径.
  例如在匀变速直线运动知识中,匀减速运动就能看作反方向的匀加速运动,二者的运动规律是相同的:气球上升的速度为9 m/s,从气球上脱离一个物体,16 s之后落到地面,问物体脱落时气球的高度.这道题也就说明了数学对称思维的运用,从而求出物体脱漏气球时的高度.
  综上所述,在高中物理中要合理的运用数学知识,充分认识到数学知识所发挥出的作用和价值,教师要引导学生把数学知识有效的运用到物理的学习中,找出物理量之间存在的数学关系,一方面能够提高学生学习物理的质量,另一方面也培养了学生数学思维,提高了学生的创造力和想象力,具有非常重要的意义.
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