物理規律教學 一(1 / 3)

物理規律教學的重要性

物理規律(包括物理定律、定理、原理、法則、公式等)反映了物理現象、物理過程在一定條件下必然發生、發展和變化的規律、它反映了物質運動變化的各個因素之間的本質聯係,揭露了事物本質屬性之間的內在聯係.在一定意義上說,物理規律揭示了在一定條件下某些物理量間內在的、必然的聯係.

學生形成物理概念和掌握物理規律之間存在著不可分割的、辯證的聯係.一方麵,形成物理概念是掌握物理規律的基礎,概念不清就談不到掌握規律;另一方麵,掌握物理規律可以使我們從運動變化中,從物理對象與物理現象的聯係中去進一步更深入地理解物理概念.另外,有些概念本身就是建立在物理規律的基礎之上,如電阻就是建立在對同一導體電壓與電流之比是一常數這個實驗規律之上的.所以,二者是相輔相成、相互促進的.

整個中學物理是以為數不多的基本概念和基本規律為主幹而構成的一個完整的體係,是由基本概念、基本規律和基本方法及其相互聯係構成了學科的基本結構.其中,基本概念是基石,基本規律是中心,基本方法是紐帶.要使學生掌握學科的基本結構,就必須使學生學好基本規律.所謂物理知識的應用,主要是指運用物理概念,特別是運用物理規律解釋現象、解決物理問題.在中學物理教學中,學生的智力和能力,也主要是在觀察、實驗、探索和分析物理現象,理解、掌握和運用物理概念和物理規律的過程中,不斷發展起來的.所以,我們應當在抓好物理概念教學的基礎上,認真抓好物理基本規律的教學.

物理規律的特點

物理規律具有以下幾個特點.

一、物理規律是觀察、實驗、思維、想象和數學推理相結合的產物

任何客觀規律都隻能被發現,而不能被“創生”.但不同學科的規律被認識與發現的途徑又是不盡相同的.物理學規律揭示的是物質的結構和物質運動所遵循的規律,因此必然與人們認識物理世界的途徑有關,即都是與觀察、實驗,抽象思維、數學推理等有著密不可分的聯係.例如,牛頓第一定律的建立,雖然是以實驗為基礎,但這一定律不能直接用實驗加以驗證,它是實驗、推理和想象相結合的產物.牛頓第二定律,則是在取得大量實驗數據的基礎上,經過分析與綜合,並利用數學方法總結出來又被實驗和生產實踐證明無誤的客觀規律.

二、物理規律反映有關物理概念之間的必然聯係

任何一個物理規律,都是由一些概念組成的,這些概念常常表現為物理量,可以用一些數字和測量聯係起來.物理規律把概念之間的一定關係用語言邏輯或數學邏輯表達出來.

例如,牛頓第二定律,就是由質、點、力、質量、加速度等概念組成的.研究對象是質點,力、質量、加速度是三個可測量的物理量.它表明了研究對象(質點)的加速度與研究對象(質點)的質量(反映研究對象本身性質的量)和它所受的力之間的定量的因果關係.

又如,歐姆定律,是由導體、電流、電壓、電阻等概念組成的.研究對象是導體,電流、電壓、電阻是三個可測量的物理量.它表明:通過研究對象(導體)的電流與研究對象(導體)的電阻(反映研究對象本身性質的量)和加在研究對象(導體)兩端的電壓之間的定量關係.

再如,動能定理把功(過程量)與動能(狀態量)聯係起來;動量定理把衝量(過程量)與動量(狀態量)聯係起來;熱力學第一定律把熱量(過程量)、功(過程量)與內能(狀態量)聯係起來.而克拉伯龍方程則反映了理想氣體同一狀態中的三個狀態量p、V、T間的關係.

三、物理規律具有近似性和局限性

由於物理學所研究的對象和過程,往往不是處於自然狀態的實際客體和實際現象,而是采用科學抽象方法適當簡化之後建立的理想模型和理想過程;又由於物理學是實驗科學,在觀察和實驗中,限於當時儀器的精密程度、操作技術的準確程度,從而不可避免地出現測量誤差.因此,反映各物理量之間關係的物理規律,隻能在一定精度範圍內足夠真實但又是近似地反映客觀世界.

物理規律不僅具有近似性,而且由於規律總是在一定範圍內發現的,或在一定條件下推理得到的,並在有限領域內檢驗的,所以規律還具有局限性.也就是說,物理規律總有它的適用範圍和適用條件.

例如,牛頓第一定律,它沒有涉及物體的轉動,也沒有涉及物體各部分之間的相對運動,因此它隻適用於質點.由於做平動的物體可以視為質點,所以它隻適用做平動的物體.同時,運動的描寫還是相對的,必須選定參照係.牛頓第一定律中談到的靜止或勻速直線運動,是不是對任何參照係都適用呢?

讓我們分析一下大家熟知的現象:

如圖9-1,地麵上放有一物體M,站在地麵上靜止不動的觀察者a(以地球為參照係),看到物體是靜止不動的;站在水平向右勻速運動的車上的觀察者b(以水平向右作勻速直線運動的車為參照係),看到物體M是以大小相同的速率、水平向左做勻速直線運動;站在水平向右加速直線運動的車上的觀察者c(以水平向右加速直線運動的車為參照係),看到物體M是做水平向左的加速直線運動.

可見,同一事物以不同的參照係觀察,所得的結果是不同的.然而,以地球為參照係(不考慮轉動效應),或以勻速直線運動的車為參照係,所觀察到的現象,都能滿足牛頓第一定律,即物體在水平方向上沒有受到其它物體對它的作用時,物體靜止不動或做勻速直線運動.而以加速的車為參照係,則所觀察到的現象不符合牛頓第一定律.

總之,牛頓第一定律僅適用於質點,且受到參照係的限製,隻適用於慣性係.

又如,動量導恒定律,這是自然界中普遍適用的定律,無論宏觀物體,微觀粒子,高速運動或低速運動情況都適用.然而動量守恒也是有條件的,這個條件就是研究對象(係統)所受的合外力必須等於零.當然,在運用中,當合外力遠小於內力時,可以把合外力忽略不計,實際上相當於合外力等於零,這是一種近似處理.可見,動量守恒定律,也是有條件的.

重點物理規律的教學要求

在中學物理知識結構中,有一些占主幹地位的基本規律,這些重點規律教學的成敗,對於學生能否學好物理知識,能否運用物理知識解決實際問題,具有關鍵性作用,必須下大力氣抓好.為此,必須明確對重點規律的教學要求.這些要求對初高中都是大體適用的.

重點物理規律的教學要求主要有以下幾點:

一、使學生把握新舊知識的聯係和建立物理規律的事實依據,懂得研究物理規律的方法

物理規律本身反映了物理現象中的相互聯係、因果關係和有關物理量間的嚴格數量關係.因此,在物理規律的教學中,必須將那些原先分散學習的有關物理概念綜合起來,把研究它們的關係作為主題.隻有用聯係的觀點來引導學生研究新課題,提出新問題,才能激發起學生新的求知欲與新的鑽研誌趣.另一方麵,物理規律本身,總是以一定的物理事實為依據的,因此,學生學習物理規律,也必須在認識、分析和研究有關的物理事實的基礎上來進行.對於中學生來說,他們的抽象思維能力不強,理解和掌握物理規律更需要有充分的感性材料作為支柱.

人類在對物理規律的探索與研研過程中,逐步形成了物理學研究的基本方法.學生認識和掌握物理規律的過程,也相當於一個簡化了的探索和研究過程.物理規律的獲得主要有兩種途徑:一種是直接從實驗結果中分析、歸納、概括而總結出來,即實驗歸納法;另一種途徑是利用已有的概念和規律,通過邏輯推理或數學推導,得出新的規律,即理論分析法.理論分析法可以是利用已有的概念和規律,推導出更普遍的規律,這屬於理論歸納;也可以是利用較一般的規律,推導出特殊的規律,這屬於理論演繹.

對於某一規律的教學,不一定按曆史上的發現過程來敘述,教師可根據教學要求、學生原有基礎、學校設備條件等來確定.實際上,教學中采用不同的方法來探討規律,各有其優點,在促進學生掌握研究方法和發展能力方麵可以起到不同的作用.

論依據有二:一是一定質量的理想氣體初態p1、V1、T1和終態p2、V2、T2是確定的,兩個狀態之間的關係與所經曆的過程無關;二是氣體實驗定律.據此,我們可以適當選取某一中間狀態,使氣體從初態經曆一個等值變化到中間狀態,再經曆另一個等值變化到終態.即:初態(p1,V1,

個等值變化可以從氣體實驗定律中的兩條曲線上選取任意兩個(與所經曆的過程無關,參看圖9-2).氣態方程的教學,也可以用實驗歸納法.取一定質量的理想氣體為研究對象,直接測得多個平衡態時的p、V、T,從大量的實驗數據,可以直接總結、概括出

又如,楞次定律的教學,可以通過對一係列實驗結果的分析,概括出判定感生電流方向的規律(實驗歸納法),然後再運用能量轉化與守恒定律加以理論說明;也可以先運用能量轉化和守恒定律,推斷出判定感生電流方向的規律(理論演繹法),然後用實驗加以驗證.

在實際教學中,究竟采用哪種方法,要視具體情況而定.可以以某一種方法為主,再介紹另一種方法.但是,無論采取哪種方法,都必須使學生明確建立規律的過程、依據,以及采用的方法.在運用實驗歸納法時,要做好實驗,突出相關的物理量,引導學生從實驗現象和數據出發,抓住主要矛盾,運用一定的邏輯方法和數學方法,歸納出結論來.在運用理論分析法時,要抓好演繹推理的依據、推導的關鍵、推導的邏輯方法和數學方法,帶領學生推導出規律的表達式,而後討論它的物理意義,並用實驗加以驗證.

二、要使學生理解物理規律的物理意義

中學階段所研究的物理規律,一般都要用文字語言加以表達,即用一段話把某一規律的物理意義表述出來.對於物理規律的文字表述,要認真加以分析,使學生真正理解它的含義,而不能讓學生去死記結論.對規律的文字表述的引出,必須在學生對有關問題進行分析、研究、並對它的本質有相當認識的基礎上進行,切不可在學生毫無認識或認識不足的情況下“搬出來”,“灌”給學生,然後再逐字逐句解釋和說明.這種做法,離開了認識的基礎,顛倒了認識的順序,學生不知道規律是怎麼得來的,也不可能理解它的真正含義.例如,牛頓第一運動定律的教學,可仿照伽利略當年運用“理想實驗”的思路,在觀察實驗的基礎上,進行推理想象,由有摩擦時的運動情況推想到無摩擦時的運動情況,最後把這一規律的內容作如下表述:“一切物體在沒有受到外力作用的時候,總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態.”在理解時,要注意弄清定律的條件是“物體沒有受到外力作用”.還要正確理解“或”這個字的含義,“或”不是指物體有時保持勻速直線運動狀態,有時保持靜止狀態,而是指如果物體原來是運動的,它就保持勻速直線運動狀態;如果原來是靜止的,它就保持靜止狀態.又如,動量定理可表述為:“物體所受的合外力的衝量等於它的動量的變化”.弄清“等於”兩字的含義對理解這個定理有很大幫助.第一,“等於”所包含的是一種因果關係,即衝量引起動量的變化;第二,“等於”包括大小和方向上的關係.衝量是力對時間的積累的量,屬於過程量,動量則是物體狀態的量,過程量衝量引起狀態量動量的改變,動量的改變量和引起改變的衝量是相等的.可見‘等於”揭示了兩者之間的內在聯係,不要把“等於”單純理解為“就是”.