认识物理学科特点把握物理思想方法_陈驹.pdf

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1、认识物理学科特点把握物理思想方法 陈驹 ( 宁德市民族中学, 福建 福安355000) 摘要 :物理思想是物理教学的指导思想 , 亦是 中学物 理教师 在物理 教学中 能够高 屋建瓴的 知 能保证 .文中阐述贯穿中学物理的4 个基本思想观点和5 个主要科学方法内容, 将促进物理教师驾 驭学科特点进行有效教学,促进物理教师专业化成长 . 关键词 :物理教学 ; 学科特点 ;思想方法 中图分类号 :G 633.7文献标识码 : B文章编号 : 1004- 2911(2004)01- 0089- 05 作为学科课程的物理教学, 必然有它可以上升到基本思想观点的问题;作为一个研究型教 师必定要探索、

2、积累那些对教学带有根本性的认识, 即物理教学的学科特点和物理思想方法问 题.本文以中学物理教师教学实践为视界, 对物理教学中提炼出来的物理基本思想观点和主要 科学方法的认识给予阐述. 1贯穿中学物理的基本思想观点 1. 1物理研究对象的物质性思想 对物理现象及产生原因的研究, 是物理学研究的最基本问题. 作为物理研究的对象物 体,它是独立存在于意识之外的客观实在, 即物体的物质性认识, 是物理学最具本质的思想之 一.从初中开始 , 先认识物体的体积、 形状和形态 , 物质的物理属性, 如密度、惯性、 比热、 导电性 等,充分认识物质的客观实在性. 进入高中学习电场、 磁场时 , 要求学生对研究

3、对象的物质性认 识进一步深化 . 物体的相互作用都是通过物质而作用的. 电场力、磁场力都是通过场物质作用 的,没有对场的物质性认识,就不可能对场的物理性质进行描绘和研究. 随着对场的物质性的 肯定和对热质、以太的非物质 ( 臆造 ) 的否定 , 再进一步对电磁波、 光子的物质性的理解, 有 效地培养了学生对物理世界的物质性思想认识, 让学生感受到纷繁奇妙的物理物质世界图景 的存在 ( 含眼睛可见和不可见的物质) , 有效地培养学生的辩证唯物主义思想基础, 在物理学习 中把握对物究理的理念 . 1. 2物质世界的客观运动性思想 研究物质的运动变化现象, 寻求其运动变化的规律是物理学的最基本内容,

4、 即运动是物理 世界最本质的属性之一. 从初中学习参照物, 认识静止与运动的相对性开始, 接着学习机械运 动中的匀速直线运动,匀变速直线运动, 匀速圆周运动 , 振动和波的运动规律及其运动状态变 化的原因 . 这过程重在让学生认识运动的相对性、矢量性、即时性等经典的时空观. 进而从机械 运动概念到热运动、 动态平衡、电子谐振、电磁波、几率波和电子云等概念的学习,将学生的物 质客观运动性思想认识进一步深化. 运动是物质世界根本的特征, 从宏观宇宙到微观粒子, 物 质的运动是客观存在的现象. 物理教学要让学生明确地理解物质运动的实质,研究运动的规律 第16卷第1期宁德师专学报 ( 自然科学版 )

5、20 0 4年 2 月JournalofNingdeTeachersCollege(NaturalScience) Vol 16No 1 Feb. 2004 收稿日期 : 2003- 09- 10 作者简介 : 陈驹(1956- ) ,男, 中学高级教师 ,福建福安人 , 现从事中学物理教学和新课程研究. 及其原因是物理学习的主要课程, 从而认真地、努力地去认识物理世界运动着变化着的生动图 景,使物理学习变得生动有趣. 1. 3物理学习重在实事求是的思想 物理的学习内容往往就是物理研究成果的精华所在. 归纳法和演绎法是物理发现的基本 思路 . 归纳发现法 , 是系统地记录实验的事实, 加以科学

6、分析 , 概括出事物规律性; 演绎发现法 , 是理论推证出特殊情况下的结论, 由事实加以证实, 而揭示事物的本质规律. 这些研究过程 , 重 要的是以客观事实为依据, 理论联系实际 , 把实事求是精神贯穿始终.物理是应用科学, 联系实 际既是物理研究的最终目的, 也是物理学习的基本起点和基本过程. 物理教学应引导学生通过 熟悉的或容易理解的物理现象的观察和实验, 切实感到身边就有物理, 从感性认识上升到理性 认识 ; 每学习一单元物理知识, 就发现自己的见识高明了一些, 培养起学物理的兴趣. 这对初学 物理的人是很重要的.从日常生产、 生活和社会环境中的问题引入课题, 并让学生懂得所学知 识的

7、用处 , 和如何应用这些知识来分析和解决一些实际问题, 这样会让学生更好地理解物理知 识,更牢固地掌握所学知识,有利于培养他们分析和解决实际问题的能力, 并逐步养成理论联 系实际 , 实事求是的良好学风. 教师应树立重在实事求是的思想, 把从实际出发和实事求是作 为物理教学的基本思路, 把枯躁的理论变为活生生的应用,这不但有益于基础知识学习, 也非 常有益于教学难点的解惑质疑. 物理教学中实事求是的思想, 不但对引导学生物理入门至关重 要,同时有效地激励学生深造. 1. 4中学物理以力能 为主线的思想 现行初、高中物理教学是两个不同层次的教学循环. 初中介绍力、 声、 热、 光、 电、 原子的

8、一 些现象和部分现象的原理, 高中仍然从力、 声、 热、 光、 电、 原子的现象出发, 并进一步对部分物 理知识做定性或定量的研究讨论.分析教材可以发现: 力的性质和能的性质是两条主线, 用它 把中学物理知识贯穿起来的. 即从重力、弹力、 摩擦力到分子力、 库仑力、安培力、洛仑兹力及核 力;从机械能 ( 动能、势能 ), 内能 ( 分子动能、分子势能 ) , 到电势能变化, 安培力做功、 洛仑兹力 不做功 , 光电效应中的逸出功, 电场能、磁场能及质能关系等等. 力和能的问题, 包括力和能的 概念、 定义式、能量的作用效应及其规律, 力与功、功与能的关系, 这些内容构成了中学物理的 重点和主线

9、 , 学生要认识物理教学中以力、能为主线思想 , 在阶段学习中抓得住主线, 抓住由力 引发的平衡、非平稳和相互作用原理, 抓住由能引发的能量转移、转化和功的关系. 有了力、能 主线思想 , 才能够在综合复习时, 认识知识的系统性和结构性,主线分明 , 繁而不乱 , 善于把握 学习的重点 , 使钻研学习方向明确, 事半功倍 . 2中学物理科学方法的主要内容 2. 1物理实验问题 物理科学体系是由物理概念、规律组成的 .这些概念和规律都是建立在实验的基础上的. 物理教学中演示实验和学生实验理所当然是最基本的教学内容和手段. 教学过程要让学生从 最基本的实验中获得物理知识, 或通过实验验证、 实验探

10、索对物理规律的认识; 同时还应让学 生感知物理实验对物理理论的建立和发展的重要性.从教学过程中明确物理实验的重要性. 这 些还可以通过介绍物理学史来进行. 如托马斯扬光的干涉实验揭示了光的波动性, 在这基础 上麦克斯韦方程组推导出电磁波的存在, 直至赫兹实验的成功, 麦氏电磁理论才确定下来. 对 于物理实验的学习, 不仅在于培养学生观察能力和动手技能, 更重要的是科学实验思想的培 90宁德师专学报 ( 自然科学版 )2004年 2 月 养.物理实验的精髓是控制实验条件加以研究.对客观世界进行科学研究时会发现, 影响物质 运动规律的变量很多,人们必须用简化情景的方法, 通过控制变量 , 从简单的

11、现象开始研究, 才 能逐步地认识客观规律. 从本质上来说 , 实验是人为地控制物质变化的过程, 在一个人为地创 造的理想环境下排除干扰, 突出主要因素进行的操作. 如研究物理方法问题, 亚里斯多德用的 是观察的方法 , 在提出命题时他也动手做了, 也展示一些生活现象. 但他的做法只能叫做动手 做,不是完整意义上的实验.实验是要控制变量进行研究的. 实验的科学方法是由伽利略首先 创立的 . 物理实验是对学生动作技能的培养, 实验研究是培养学生手脑并用的好场合. 在实验 的活动过程中,手动必然带动学生思维活动, 只有经过正确的思维活动, 才能敏锐、 准确地观 察,才能抽象出物理现象的共同属性和变化

12、规律来. 物理实验可有效地训练学生实事求是的科 学态度 , 培养不畏艰难、 锲而不舍的品质, 对学生的思想作风和世界观产生良好的影响. 总之 , 物理实验是物理科学方法教学中最主要、最重要的内容 . 2. 2理想化方法问题 无论是探索、揭示复杂的物理现象和物理过程的规律,还是解决、 处理复杂的物理问题都 需要建立简单的理想过程, 把复杂的实际问题转化为理想的简单问题来研究和处理. 物理学研 究过程 , 基本上是应用理想化方法, 对所研究的问题抓住起主要作用的条件和性质, 略去其他 条件和性质 , 建立合理的物理模型, 从而从根本上把握物理实质的研究过程. 运用理想化方法 的关键是把握理想化模型

13、和客观原型的关系, 在用理想化方法对客观原型简化为物理模型的 时候要用到近似处理, 但是理想化方法的本质不是近似, 理想化方法的本质是科学的抽 象 , 理想化模型是从客观原型中抽象出来的. 例如 , 把公转中的地球, 长途运行中的汽车等近 似处理 , 看成很小很小 , 仍然不是理想化模型, 只有小到一个点, 小到体积为零, 这才是理想化 模型的质点 . 中学物理中应用理想化思想方法,表现在以下4 个方面 . (1) 把物体本身理想化. 如点电荷、点光源、质点等 . (2)把物体所处的条件理想化. 如自由落体、 单摆、理想气体等 . ( 3) 理想化实验 . 如伽利略的惯性实验, 电力线、磁力线

14、的实验等. ( 4)理想化物理图景的建立. 如振 动的图象、分子热运动图景、 原子结构模型等等. 理想化方法是研究物理的必要, 也是学习物理 的最重要思想方法之一. 从初中开始的不计摩擦到高中学习中的物理模型解题 , 这过程要 求学生提高对理想化思想方法的认识水平, 是训练学生综合运用概念, 增强从具体到抽象, 又 使抽象形象化思维能力的过程. 理想化方法是物理教学中培养学生科学思维方法和想象力的 一个重要思想方法. 2. 3等效方法问题 物理科学研究是面对众多的物理量, 在分析、处理和计算物理量的时候, 特别要注意物理 量之间的关联 , 变不易处理的物理量为容易处理的物理量. 这里经常要用到

15、一种重要思想方法 等效方法 . 在初中阶段学生已经学过串、并联电路计算. 在电路中 , 有两个电阻的连接方式 是串联的 , 那么总电阻就是原来阻值之和; 如果原来两个电阻的连接方式是并联的, 那么总电 阻就是原来阻值倒数之和的倒数. 在这里所谓的总电阻就是与原来的电阻是等效的. 到高中阶 段一开始就学习到两个互成角度的共力点, 求它们的合力, 实验证明这个力可以用平行四边形 定则来得到 , 这个合力就是与原来两个共点力等效的. 实际上 , 等效方法不考虑性质, 这种思想 方法的准则只有一条,那就是保持效果相等. 例如 ,不同性质的力可以合成,为的是得到一个等 效的力 . 做功和热传递在改变物体

16、的内能上是等效的, 但它们的本质并不相同. 有了等效的思 91 第 1 期陈驹: 认识物理学科特点把握物理思想方法 想,可以把一个有漏电的电容器等效为一个理想的电容器和一个电阻的并联;把一个有电阻的 线圈等效为一个理想的线圈和一个电阻的串联. 有了等效的思想, 就会明确不仅有直流电路的 等效变换 , 而且有交流电路的等效变换; 不仅有力的等效, 而且有运动的等效;不仅有状态的等 效,而且有过程的等效. 甚至在处理不同的物理问题时, 还可以有具体方法上的等效, 例如 , 解 决力学问题方法与几何光学方法的等效, 电磁学量与力学量的等效, 等等. 2. 4对称与守恒问题 在客观世界复杂的事物中普遍

17、存在对称现象,有镜像对称、 旋转对称、平移对称等 . 对称使 纷繁复杂的客观世界变得有序, 显示了某种匀称和协调. 有了对称操作的思想, 便可以认识物 理规律对于空间和时间变换的对称性. 一条物理定律 , 例如 ,牛顿第二定律, 它在欧洲的实验室里是成立的, 现在对它进行空间平 移变换 , 这条物理定律在亚洲仍然是成立的吗? 它在某一个方向的时候显然是正确的, 换了一 个方向之后 , 即对它们进行空间旋转变换, 这条定律仍然成立吗? 牛顿定律在17 世纪是成立 的,对它进行时间平移操作,到 21 世纪初 , 这条定律仍然成立吗? 实验证明 , 物理规律在改变 了空间地点、空间方向、时间之后 ,

18、 仍然是成立的 . 这就是说 , 物理规律对于空间的平移变换, 空 间的旋转变换 , 时间的平移变换等操作都是成立的. 在物理科学中可以表述为: 物理规律对于 空间平移变换 , 空间旋转变换 , 时间平移变换都是对称的. 物理规律对于时间和空间的变换的 对称性有着深刻的涵义, 每一种时空变换的对称性都对应着一条守恒定律. 物理量的守恒在物理学中具有相当典型的思想意义.中学先后学习了质量守恒、电荷守 恒、 动量守恒、机械能守恒和能量守恒. 学习守恒定律, 分析和解决守恒问题, 对知识的理解和 分析能力都有较高的要求. 解决物理量的守恒问题, 一定要研究系统选定, 一定要判定守恒条 件是否满足 .

19、 守恒知识的学习和运用过程, 不断增进学生对物理研究系统选择的关键性认识和 严格条件判断的重要性认识, 这对研究物理和提高解题能力是极为重要的.守恒思想的认识与 应用 , 有效地开拓学生学物理的思维广度、深度和力度. 掌握对称方法, 应用守恒定律, 能使物 理学习登上一个新的台阶. 2. 5整体法与隔离法问题 物理公式应用于研究解决物体系统问题时, 正确选定研究对象就成了解题的第一步. 以整 体为研究对象 , 还是从整体中隔离出某物体或物体的某部分为研究对象, 这是解决问题的关 键.在动力学解题中, 笔者常用整体法求加速度, 隔离法求内力, 就是典型的例子. 不均匀变 化的物理量的求解要用到微

20、分的思想, 即把总体分割为微元的组成, 从分析微元达到分析整 体.例如 ,在变速直线运动中的瞬时速度问题上, 从匀速直线运动到变速直线运动就是一个飞 跃,从平均速度到瞬时速度就是一个飞跃. 因为平均速度是比较容易理解的, 当人们把变速直 线运动的过程取得越来越小, 即时间越来越短,位移越来越小,平均速度就越来越接近某一个 时刻的瞬时速度. 当过程取得无限小, 时间间隔取到零, 位移也为零 , 位移与时间的比值却是一 个确定的值 , 这就是运动物体在某时刻的瞬时速度. 还有匀变速直线运动的位移也可以用微元 法来处理 , 把这个运动分割为无限多个极小的元过程, 每个元过程都看成是匀速直线运动, 然

21、 后用匀速直线运动的公式来求整个运动过程的位移.另外还有圆周运动中的向心加速度问题, 凸透镜的折射问题, 变力做功问题等等都可以用微元法进行分析解决. 92宁德师专学报 ( 自然科学版 )2004年 2 月 参考文献 : 1 陈驹. 试谈物理教学中物理思想的认识 J .福建中学教学 , 1996(8) :34- 35. 2 宁波效实中学物理教研组. 构建科学方法教育的框架 J .中学物理教学参考, 2001(4):25- 27. Comprehend the features of physics subject, and master physics thinking methods CHENJu (NingdeMinority NationahityMiddle School, Fu anFujian355000, China) Key words:physicsteaching; featuresof a subjec t; thinking methods 93 第 1 期陈驹: 认识物理学科特点把握物理思想方法