寒假剩余的时光,在严格执行计划表的笔尖沙沙声中飞速流逝。凌凡徜徉在数学的巩固与深化中,享受着那种知识尽在掌握的踏实感,偶尔翻阅《什么是数学》,犹如在思维的星空中漫步,视野不断开阔。
然而,日历无情地翻篇,开学的日子终将来临。新学期的课表发下来,凌凡的目光第一时间锁定了“物理”二字。相较于数学已然建立的信心,物理于他而言,仍是一片笼罩着薄雾的未知领域。上学期82分的成绩虽不算差,但他深知,那更多是得益于公式记忆和简单应用,对于物理真正的精髓——建模思想和过程分析——他仍不得其门而入。
“物理新征程”,计划表上这五个字,此刻显得格外有分量。
新学期第一节物理课。走进教室的是一位新老师,姓郑,约莫四十岁年纪,身材高瘦,目光锐利,说话语速很快,带着一种不容置疑的笃定。
“同学们,新学期,新起点。”郑老师开门见山,没有多余寒暄,“高中物理和初中物理有本质区别。初中告诉你们‘是什么’,高中则要追究‘为什么’,以及‘如何描述’。这门课的核心,不再是记住几个公式、背下几个结论,而是学会一种全新的思维方式——物理建模。”
“建模”这个词,像一颗石子投入凌凡的心湖。他立刻联想到了数学中的函数建模,但似乎又有所不同。
郑老师转身在黑板上写下了两个大字:质点。
“今天,我们就从最简单的模型开始——质点。”郑老师用粉笔点着这两个字,“什么是质点?忽略物体的形状、大小,将其视为一个具有质量的点。这就是建模的第一步:简化和抽象。”
台下有同学小声嘀咕:“这谁不知道啊……”
郑老师耳朵很尖,立刻捕捉到了:“觉得简单?那我问你们,一辆在高速上行驶的卡车,什么时候能看成质点?什么时候不能?”
同学们一愣。
“研究它从北京到上海的平均速度,可以看成质点吗?”郑老师问。 “可以!”大部分同学回答。 “研究它轮胎的磨损情况,可以看成质点吗?” “不行!”大家回答。 “研究它过弯时的侧翻风险,可以看成质点吗?” “……不行。”答案变得犹豫。
“看,问题来了。”郑老师目光扫视全场,“‘过弯侧翻’涉及到它的形状、重心位置,所以不能看成质点。但如果是研究它过弯时的轨迹,在某些近似下,或许又可以只看重心这个‘点’的运动。所以,一个物体能否被看作质点,不取决于物体本身,而取决于你所研究的问题的性质!”
凌凡心中一震!他突然意识到,“质点”并非一个固有的、死板的概念,而是一个灵活的、依赖于研究目的的工具!这是一种思维层面的转换!
郑老师继续加大难度:“那么,地球绕太阳公转,可以看成质点吗?” “可以!” “地球自转,研究昼夜交替,可以看成质点吗?” “不行!” “研究地球上抛体的运动,地球可以看成质点吗?”(假设忽略空气阻力) 同学们陷入了沉思。研究地球上抛体的运动,似乎关注的是抛体本身,地球只是提供引力的背景?但引力的大小和地球的形状、质量分布有关吗?在初步研究中,似乎可以忽略?
“在万有引力定律中,”郑老师揭晓答案,“我们计算两个天体间的引力时,是可以将天体视为质点的,因为公式F=G(Mm)/r2本身,就是基于质点模型推导出来的!即使对于地球上的物体,在精度要求不高时,我们也常将地球视为质量集中于地心的质点来处理重力。”
凌凡只觉得脑海中仿佛有一道闪电劈开迷雾!模型的选择,服务于具体的问题和精度要求! 没有绝对的正确与否,只有是否适用!
“所以,”郑老师总结道,声音铿锵有力,“学习物理,第一要务不是背公式,而是在你的脑海里,根据问题情境,构建合适的物理模型! ‘质点’模型,就是教你们学会这种‘忽略次要因素,抓住主要矛盾’的抽象思维方法!”
“接下来,我们就要用这个最简单的‘质点’模型,去重新审视你们初中学过的运动。”郑老师在黑板上画了一条长长的直线,标上坐标和箭头,“描述一个质点的运动,我们需要什么?”
“位置!”、“速度!”、“加速度!”同学们七嘴八舌。
“很好!但如何精确、定量地描述?”郑老师写下三个词:位置坐标x、速度v、加速度a。“这三者,就是描述质点直线运动的核心物理量。它们之间有什么关系?”
“v等于x的变化!”、“a等于v的变化!”
“没错!但‘变化’这个词太模糊。我们需要数学语言来精确描述!”郑老师引入极限和导数的思想,“瞬时速度v是位置x随时间t的变化率,即导数v=dx/dt!瞬时加速度a是速度v随时间t的变化率,即导数a=dv/dt!”
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