物理量的正负号及其处理方法

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  在物理学习中,特别是在有关物理习题的解答中,经常会遇到物理量的正负及其计算问题.有些学生在解答有关习题时,由于对物理量的正负掌握不好,经常出现一些错误.这些错误表面上看起来是一个数学问题,实际上是由于对物理量的正负号的意义理解不深,不能正确运用正负号解决问题.因此,在物理学习中必须重视它.从物理量正负号的产生和建立过程来看,大致可归纳为以下三种情况.
  一、矢量的正负号
  在解决同一直线上的矢量运算问题时,引入了正负号,通常规定某一方向为正方向,凡是方向跟正方向相同的矢量都取正值,反之取负值.在这种情况下,矢量的正负号,表示与既定的正方向相同或相反,而不表示大小,绝不能说,正矢量总比负矢量大.引入正负号以后,同一直线上的矢量运算就可以化为代数运算,在高中物理课本中又把矢量(如力)的正交分解法作为互成角度的矢量运算的主要方法,这其中涉及各分量的正负问题.这种方法要求先建立一个坐标系(通常是平面直角坐标系),规定正方向,把矢量分解到方向和方向上,然后分别进行方向和方向上各分量的代数和的计算,最后利用矢量的平行四边形定则进行合成,从而解决了互成角度的矢量合成问题,这是处理复杂矢量合成的一种有效方法.
  在解答习题时,矢量正负号的处理方法有两种.一种是矢量的正负号与数值分开来处理,这种方法称之为“不带正负号”的计算法.由于这种方法在列方程时已经考虑到各量的正负号,故以后在代入数值进行计算时,各量都以绝对值代入.另一种方法是把矢量的正负号与数值统一考虑,列出一个普通的方程式,这种方法称之为“带着正负号”的计算法.显然这种方法在列方程时不考虑各物理量的正负,只列出普通方程式,而在代入数值时,要根据规定的正方向,先判定物理量的正或负,然后把各物理量以“正”值或“负”值代入方程式进行计算.
  在解答习题时,为了正确处理矢量的正负号,还需注意以下几点:要首先规定正方向,正方向一经规定,在同一问题中应保持一致.在解答时,要明确规定某一方向为正方向.在列出物理公式时,要明确公式中的物理量的代表符号是只表示大小,还是既表示大小又表示方向.在有些问题中,矢量的方向是不容易确定的.在解决这一类问题时,可以先假定矢量的方向为某一方向,如果计算结果为正值,则说明该矢量的实际方向与假定方向相同,若为负值,表示该矢量的实际方向与假定的方向相反.
  二、标量的正负号
  在高中物理中,属于标量的物理量很多,其中有一些也有正负号.对于这些物理量,为了区别它们的相对大小或是为了区别它们的两种相反的情况,通常也给它们冠以“正”、“负”号,但它们的正负号与矢量的正负号具有不同的意义.即使都是标量,它们的正负号也各有不同的含义.
  例如,电学中的电量、电流强度、电动势等物理量也都是标量,它们也有正负号.由于自然界中只有正负两种电荷,因此,为了同时表示电荷的种类或性质,也给电量带上正负号,这里的正负号既没有相对高低的含义,也没有转化方向的意义,只是表示它们性质不同.在有关静电场这一部分计算时,一般矢量式不带入正负号计算,而标量式则需代入正负号计算.电流强度和电动势在一般情况下都用绝对值,但有时因为它们方向不同也需要带着正负号计算它们的代数和.应注意其正负与矢量的正负物理含义是不同的.
  三、物理量的“变化量”和“变化率”的正负号
  计算某些物理量的“变化量”或“变化率”时,往往也出现“正”值或“负”值.对于这个“正”或“负”值,要进行具体分析.一般说来,计算标量的“变化量”时出现正负号,正值表示“增加”,负值表示“减少”.计算矢量的“变化量”时出现正负号,正值表示与规定的正方向相同,负值表示与规定的方向相反.应该强调的是,“变化量”的正负号与原物理量本身的正负号有着不同含义.例如速度的变化的正负与速度的正负含义是不同的.
  在高中物理中,有些物理量是从变化率定义的,如速度是位移对时间的变化率,加速度是速度对时间的变化率等.这类矢量“变化率”的正负号表示所定义物理量的方向与规定的正方向相同或相反.在利用图像处理问题时,“变化率”都是图线“切线”的斜率表示的,斜率的大小表示变化率的大小,斜率的正负表示变化率的方向.另外,有些物理规律也是用“变化率”表示的,例如法拉第电磁感应定律、自感电动势的计算式等,有关这类变化率的正负,在学习时也要重视.
  综上所述,物理量的正负号可以表示方向、性质、大小、增减、虚实、相同与相反和作用效果等意义,不能简单地套用数学上的概念,必须具体情况具体分析.在进行计算时,物理量的正负号能否转化为运算符号要服从于物理实际.通过运算,正负号由原来表示的物理意义可能转化为别的物理意义,但在运算之后必须把数学中正负号还原为它所表示的物理意义.
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