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每次總有學生反映高一的物理怎么這樣難,上課能聽懂,作業卻不會做,同初中的物理完全不同。
上了高一后,學生應著力培養自己思維能力,掌握研究物理的思維方法。下面我從物理的思維方法方面談談初高中物理的銜接問題。
一、建立合理的物理模型和理想化過程------科學抽象法
合理的物理模型和理想化過程是抽象思維的產物,是研究物理規律的一種行之有效的方法。比如,研究物體的運動,首先要確定物體的位置。物體都具有大小形狀,運動的物體,各點的位置變化一般是各不相同的,所以要詳細描述物體的位置及其變化,并不容易。但在一定條件下,把物體抽象為質點,忽略物體的大小形狀,問題就簡單了。如在平直公路上行駛的汽車,車身上各部分的運動情況相同,當我們把汽車作為一個整體來研究它的運動,就可把汽車當中質點。引入物理模型,可以使問題的處理大為簡化而又不會發生太大的偏差。對于比較復雜的研究對象,可以先研究它的理想模型,然后對研究結果加以修正,即可用于實際事物。例如,忽略分子的體積和分子之間的相互作用的理想氣體是不存在的,它只是實際氣體在一定程度上近似,對于高溫低壓下不易液化的實際氣體,如氫、氧、氮、氦氣和空氣等,在常溫常壓下就可看成理想氣體,這樣處理誤差小,應用簡便。“理想氣體狀態方程”的導出就是把空氣當作理想氣體,然后在一定條件通過實驗觀察、研究氣體狀態變化時,壓強、體積、溫度三個參量之間的關系,從而得出在不同條件下理想氣體的三個實驗定律,即玻-馬定律、查理定律和氣體的狀態方程。在常溫、常壓下,用理想氣態方程處理實際問題,帶來的誤差小且非常簡單。但對高壓、低溫條件下的氣體就不適用了。不過,從分子的引力和斥力兩方面對理想氣體狀態方程加以修正、推廣,得范德瓦耳斯方程即可應用于實際氣體了。
高中教材中,要建立大量的物理模型,如“質點”、“單擺”、“理想氣體”、“點電荷”、“核式結構”等都是理想模型,還有大量的理想化過程,如“勻速直線運動”、“簡諧振動”、“等壓變化”、“絕熱變化”、…
…這就要求學生了解到,建立合理的物理模型和理想化過程,對于學習和研究物理問題的重要性。學生要主動思考在處理較復雜問題時采用的具體分析、合理簡化、科學抽象的方法,這有利于思維能力的培養
,以免學習接觸到理想模型時感到陌生,或認為是憑空想象的。
合理假設邏輯推理驗證結論是研究物理學得主要方法之一,這對培養學生的抽象思維、空間想象力很有利。
理想實驗也是物理學中一種特殊的科學思維方法,它是在系統的觀察與實驗的基礎上,抓住主要矛盾,忽略次要矛盾,對實際過程作出更深入的邏輯分析和抽象的一種方法。如伽利略的斜面實驗和自由落體實驗。初中介紹伽利略的斜面實驗,目的不是單純地讓學生了解慣性定律發現的歷史,關鍵是使學生懂得邏輯推理和理想實驗相結合的研究方法:
①從用力推小車,小車運動,停止用力,小車還能繼續運動的感性認識出發,分析得出,運動著的物體,若不受外力作用仍要作直線運動,初步突出了物體不受外力作用仍能保持原來運動狀態的本質聯系。
②如圖,用毛巾鋪在斜面下端的水平木板上,讓小車從斜面滑下,它在毛巾上通過的距離很小。撤去鋪在木板上的毛巾,再讓小車由斜面同一位置滑下來,它在平板上通過的距離就遠得多。在愈光滑的平面,小車運動得愈遠。從這一事實分析得到:運動物體速度的變化是受到其它物體作用的緣故。
③在以上實驗事實的基礎上,運用想象和推理,就可設想一個理想實驗:讓小車在絕對光滑的平面上運動,它不受任何阻礙作用,則它保持勻速直線運動狀態。這里突出了小車這個物體不受其它物體的作用時,將保持勻速直線運動這一本質聯系,而摒棄那種某一物體要受到其它物體不變的作用(即恒力作用),才保持勻速直線運動這一乍看起來合乎一般“經驗”的事實。
二、對感性材料的深加工------歸納法
歸納法是從個別事實中概括出一般規律的思維方法。它對學習和研究物理學有重要作用。許多定律和公式都是運用歸納法總結出來的。例如,高中必修課《電磁感應現象》,學生可以聯系初中學習的阿基米德定律時的思維方法:觀察實驗分析推理歸納結論。首先在生動的“電磁感應”實驗中獲得鮮明的感性認識,然后對各種電磁感應現象進行比較與分析,就可以初步認識到:
①閉合回路中部分導線作切割磁力線運動時,產生感應電流;
②磁鐵與閉合線圈作相對運動時,線圈中產生感應電流;
通電螺線管(原)與閉合線圈(副)作相對運動時,閉合線圈(副)中產生感應電流;線圈(原)中的電流突然接通或斷開時,閉合線圈(副)中會產生感應電流;通電線圈(原)中的電流強度大小發生變化時,閉合線圈(副)中也會產生感應電流。
這些結論,都是從實驗事實中抽象出來的,只分別反映了“電磁感應”現象的一個側面,而沒有反映其本質。把這些結論歸納起來,得出“穿過閉合回路所圍面積通量發生變化時,會產生感應電流”的結論。“磁通量的變化”并不是直觀感知的對象,而是一個抽象概念,是在大量實驗的基礎上抽象思維的產物。我們借助磁通量的變化,便能夠形成關于電磁感應現象的相對完整的認識。
應當注意的是:初中教學強調以實驗和觀察為基礎,在此基礎上抽象的概念,歸納為規律。因為初中生的思維還屬于經驗型,需要感性材料作支持。高中生的思維雖屬于理論性,但對一些比較抽象內容的理解上,仍需借助于一些經驗型思維或形象思維,向抽象思維的更高層次的轉化,來理解這些抽象的內容。這種轉化在高一年段表現尤為突出。
三、跟已知的理性知識相類比------類比法
類比推理是人們認識事物的思維形式之一,它能幫助從已知事物的有關理論建立假說去說明新事物;用某些已知的屬性來說明未知的屬性,以增強說服力,使人們容易理解。例如,惠更斯把光現象與聲現象進行類比,提出光的波動說,德布羅意從光的波粒二象性類比得出微觀粒子的二象性原理。因此,類比也是物理教學中一種常用的方法。例如,初中“電壓”與“水壓”類比來說明電壓的作用,即抽水機(保持)水壓水流,類比得出電源(保持)電壓電流。利用類比教學時要注意,類比推理得出的結論是否正確需要經過實驗的驗證,才能確定。如“水管中有水流動的必要條件是水管兩端有水壓”,與此相似“導體中有電流的必要條件是導體兩端有電壓”,此結論理由不充分,只能說“可能有電壓”,至于是否有電壓,有待于實驗的驗證。如果不注意推理的嚴密性,容易使學生在將來的學習中濫用類比,導出不正確的結論。
高中學習時則應根據已經熟悉的類比法,來處理教材中的重點、難點問題。例如,把電廠類比于重力場、電勢差類比于高度差、電勢能類比于重力勢能,就比較容易突破“電勢差”與“電勢能”兩個難點教學。同樣,電容器的電容是一個比較抽象的概念,若把電容器跟盛水的直筒容器比較,水量相當于電量,水深相當于電勢差。不同的直筒容器使它們的水面升高1厘米所需的水量不同,這與使不同的電容器電勢差增加1伏所需的電量不同相類似。這個比喻可以幫助學生形象的理解電容的含義。
恩格斯說:“思維是宇宙中運動的基本形式之一,是地球上最美的花朵。”在物理學研究中,思維可分為邏輯思維、形象思維、直覺和靈感思維三種類型,而中學物理教材中應用最多的是邏輯思維。
一、通過物理概念的教學,使學生掌握物理概念形成過程的思維方法
物理概念的形成,一般是在觀察和實驗的基礎上,運用比較、分析、綜合、歸納等方法抽象出物理的共同屬性,從而形成物理概念。在初中學物理教材中,描述物質屬性、運動狀態的物理量,如機械運動、密度、速度、電阻、比熱容等概念瓣得出,選通過比較研究對象某種屬性的差異,然后通過比較揭示其研究對象具有同一性的東西屬性,最后歸納出相應的物理概念。另外,如合力、平均速度、總電阻等概念,是通過效果的比較,建立在等效基礎上的概念。有些物理概念因非常相似而容易混淆。滴水穿石生往往被它們相同之處迷惑。而不注意它們的不同之處,或對不同之處認識不足,結果產生了混淆。在這時如果讓學生運用比較的方法,則容易搞清容易混淆的知識。例如,將一對平衡力和一對相互作用力的相同之處,不同之處進行比較后,很容易發現它們是不同性質的兩個力。通過比較還可以加深對物理概念和物理概念和物理現象的認識,也有利于學生鞏固知識。
有的物理概念是在比較的基礎上通過分類得出的。如導體、絕緣體,電流的熱效應、磁效應、化學效應等。教師在講解這些概念時,應指出分類是相對的,物理各類別之間雖然有明顯的區別,但是并沒有固定不變的界限,總是有這樣那樣的聯系,從而使學生對一些事物的認識不墨守成規,培養學生敢于懷疑,敢于探求的精神。
分析與綜合,是一對相反相成的思維方法,它們之間有著密切的辯證關系。教材中物理概念的建立,一般先是從生活、生產實人列中或通過某一演示實驗等提出問題,然后對問題進行分析,找出問題的各有關因素和因素之間相互聯系,最后綜合形成物理概念或對物理量下定心,形成物理概念的過程,分析是關鍵,分析的過程也是一砦 思維方法運用的過程。如在講解壓強概念和公式的確建立過程中,告訴學生,通過運用比較的方法(人和坦克在泥中凹陷的情況)實驗的方法(磚的壓力對海綿的作用情況),在控制變量法等分析后,經綜合得出了壓強的概念和公式。
二、在探索物理規律的教學中,教給學生思維方法能有效提高學生從實驗歸納出規律的能力
物理規律反映了物理現象、物理過程的發生和變化的規律,它是物質運動變化的各個因素之間的本質聯系。在建立實驗定律的過程中,比較方法被廣泛應用。例如,歐姆定律,是在實驗基礎上,對有關量進行定量比較得出的。
(1)在電阻一定時,比較電流隨電壓變化的情況,得出電流與電壓成正比。
(2)在電壓一定時,比較電流隨電阻變化的情況,得出電流與電阻成反比。
教材中阿基米德原理、功的原理、杠桿原理等大部分物理規律是通過實驗經分析、綜合后得出的。
三、在解答物理習題中,重視傳授思維方法
一、“二力平衡”分析法
我們知道,不管是在河里還是在海里航行,輪船不會被淹沒,都處于漂浮狀態。在豎直方向上,輪船處于靜止狀態,僅受到浮力和重力的作用。根據二力平衡條件可知,輪船受到的浮力大小等于輪船自身重力的大小,而輪船的重力不變,所以輪船在河里和在海里行駛時受到的浮力大小是相同的。
那么,為什么輪船從河里駛入海里受到的浮力不變,它卻會上浮一些呢?根據阿基米德原理F浮=ρ液gV排可知,因為海水的密度比河水的密度大,因而輪船在海中行駛時排開的海水體積比在河里排開的河水體積小,由于輪船排開的水體積變小,輪船由河里駛入海里,就會上浮一些。
二、“牛頓第三定律”推理法
由于輪船受到重力的作用,所以它在水上航行時,要對水產生一個向下的壓力,壓力大小等于輪船重力大小;同時,水也要對輪船產生一個向上的作用力,這個作用力是浮力。水對輪船產生的浮力和輪船對水的壓力就是相互作用力,相互作用力的大小是相等的。
如果按照“輪船從河里駛入海里,因為輪船受到的浮力變大了,所以輪船才會上浮起來一些”的膚淺認識來推理,輪船在海里受到的浮力變大了,也就意味著輪船對水的壓力變大了,也就是說,輪船的重力變大了。可是同樣的一艘輪船,從河里駛入海里,它受到的重力是不變的,它對水的壓力大小不變,水對它的作用力(浮力)也是不變的。
通過這樣的推理,證明了這種膚淺的認識是站不住腳的,問題也就迎刃而解了。
三、“阿基米德原理”實驗法
根據阿基米德原理可知,浸在液體中的物體所受的浮力大小等于它排開的液體受到的重力,因此只要能測出輪船在河里和海里排開的水受到的重力就能比較它所受到的浮力大小了。
可是要實地測出輪船在河里和海里排開的水受到的重力,難度很大。我們可以利用代替等效法來證明,由于河水和海水的密度不同,我們可用煤油和水這兩種密度不同的液體來代替(密度差別較大,排開的液體體積觀察較明顯),輪船用塑料杯(在杯中放入小石塊,目的是可改變物重)來代替。
實驗方法:
如圖1所示,在兩個溢水杯中分別盛滿水和煤油,把內裝有石塊的塑料杯分別輕放入水和煤油中,用兩個空的小桶(質量相同,可用礦泉水塑料瓶自制)接溢出的液體,直到液體不溢出為止,然后用彈簧測力計分別測出兩個小桶所盛液體受到的重力大小。
在這個實驗中,兩個測力計的示數大小都為0.8N,說明杯子排開的液體所受的重力相等,有力地證明了輪船在河里和海里受到的浮力大小相等。
通過實驗,學生還可以直觀地觀察到杯子在水中排開的水體積少一些,在水中多上浮一些。這樣,輪船所受浮力大小得到有效驗證,排開的液體體積大小以及上浮或下沉一些也得到了更有力地證實。
四、“原理產生”實驗法
教材給出浮力的概念是:浸在液體中的物體受到液體向上托的力,這個力叫做浮力。如果能夠測出或演示“液體向上托的力”的大小,就能比較輪船在河里和海里所受到的浮力大小情況。