巴甫洛夫认为“科学方法很重要,科学是思维的总结,了解一个科学家的方法远比了解他的成就更有价值。”为了培养学生的科学探究精神、实践能力和创新意识,帮助学生提高素质,教学中必须重视科学方法的培养。在近几年的中考中,科学方法的考核逐渐成为热点问题之一。然而,中学教科书中没有提到这方面知识,老师在课堂上也很少讲到,所以我们有必要把它拿出来,一起学习。
研究物理的科学方法很多,常用的有观察法、实验法、比较法、类比法、等价法、变换法、控制变量法、模型法、科学推理法等。
为了研究某些物理知识或物理规律,我们往往要同时运用几种研究方法。例如,在研究哪些因素与电阻的大小有关时,我们用到了观察法(观察电流表的读数)、换算法(把电阻的大小换算成电流的大小,通过研究电流的大小来获得电阻的大小)、归纳法(归纳电阻与材料、长度、截面积、温度等有关的信息)、控制变量法(研究电阻与长度的关系时,控制材料和截面积)。可见,物理学中的科学方法题是不能细分类的,只能根据题意,看题目中强调的是哪个过程来分析作答。下面我们就来分析一些重要的实验方法。
1.控制变量法
物理学研究中常用的一种研究方法是控制变量法。所谓控制变量法就是在研究和解决问题的过程中,人为地控制影响事物变化规律的因素或条件,使其中某些条件按特定的要求发生变化或保持不变,最终解决所研究的问题。
可以说,任何物理实验都必须按照实验目的、原理和方法,控制一定的条件来进行研究。
例如,导体中的电流与导体两端的电压和导体的电阻有关。中学物理实验很难同时研究电流与导体两端的电压和导体的电阻之间的关系。而是在控制导体的电阻,保持导体两端的电压不变的情况下,研究导体中的电流与导体两端的电压和导体的电阻之间的关系,并分别得出实验结论。通过学生实验,让学生动脑动手,理论与实践相结合,找到这“两个关系”,最终推导出欧姆定律I=U/R。
为了研究哪些因素与导体的电阻有关,保持导体的长度、材料不变,研究导体的电阻与截面积的关系。
为了研究哪些因素与滑动摩擦的大小有关,在保证压力相同的条件下,研究了滑动摩擦与接触表面粗糙度的关系。
运用控制变量法研究物理问题,注重知识形成过程,有利于扭转重结论、轻过程的倾向,有助于培养学生的科学素养,让学生学会学习。
在中学物理教科书中,应用这种科学方法研究与蒸发速度有关的因素;与滑动摩擦大小有关的因素;与液体压力有关的因素;与浮力大小有关的因素;与压力作用有关的因素;与滑轮系统机械效率有关的因素;与动能和重力势能的大小有关的因素;与导体电阻有关的因素;研究电阻一定时电流与电压的关系;研究电压一定时电流与电阻的关系;研究电流所做功的量;与电流的热效应有关的因素;研究与电磁铁磁性强度有关的因素等。
2. 换算方法
对于一些比较抽象、看不见、摸不着的微观现象,需要研究它们的运动等规律,从而把它们转化成学生熟悉的、看得见、摸得着的宏观现象。这种方法在科学上叫“转化法”。例如:分子的运动,电流的存在等等。
例如:空气看不见、摸不着,但我们可以通过气流(风)的作用来了解它;分子看不见、摸不着,所以很难研究,但我们可以通过研究墨水的扩散来了解它;电流看不见、摸不着,但我们在判断电路中是否有电流时,可以通过电流产生的效应来了解它;磁场看不见、摸不着,但我们可以通过它产生的效应来了解它。
比如有些物理量不容易测量,但是我们可以根据定义公式把它们转换成可以直接测量的物理量,再根据它们的定义公式计算出它们的值,比如电功率(电功率不能直接测量,但是可以用电流表和电压表测出U和I,由P=UI计算出P)、电阻、密度等等。
在中学物理课本里,
我们将不规则小石头的体积换算成排开水的体积
当我们测量曲线的长度时,我们将其转换成细棉线的长度
在测量滑动摩擦力时,将其转化为拉力的大小。
测量大气压(当无法直接测量大气压时,就换算成大气压将水银柱压上去的压力)测量硬币直径时,就换算成尺子的长度
测量液体压力(我们将液体的压力转换成我们能看见的液柱高度差的变化)
根据电流的作用来判断电流的存在(我们不能直接看到电流),
通过磁场效应证明磁场的存在(我们无法直接看到磁场),
研究物体的内能与温度的关系(我们不能直接感知内能的变化,只能把它转化为被测温度的变化来说明内能的变化);
在研究电热、电流、电阻等因素时,我们将电热量折算为液柱上升的高度。
我们在研究电功与哪些因素有关的时候,都是把电功的量换算成重物上升的高度。
密度、功率、电功率、电阻、压力(大气压)等物理量都是用换算法来测量的。
我们在回答动能和什么因素有关的问题时,我们回答小球在平面上滑行的距离越远,动能就越大,也就是把动能的大小换算成小球运动的距离。这一科学方法适用于以上列出的所有问题。
例子:1.分子运动是看不见摸不着的,所以很难研究。但是科学家可以通过研究墨水的扩散来了解它。这种方法在科学上叫做“转化法”。下面是小明在学习中遇到的四个研究例子。所用的方法和刚才研究分子运动的方法是一样的( )
A. 利用磁感应线研究磁场问题
B. 电流是看不见摸不着的。要判断电路中是否有电流,我们可以检查电路中的灯泡是否发光。
C、研究电流、电压与电阻的关系时,先保持电阻不变,研究电流与电压的关系;再保持电压不变,研究电流与电阻的关系
D. 研究电流时,将其与水流进行比较
分析:B.
3. 发布
在一些实验中,我们可以看到现象,但不容易观察,我们会把效果放大,然后研究。例如英语作文,音叉的振动不容易观察到,所以我们用一个小的泡沫球来放大现象。观察压力对玻璃瓶的影响时,我们将玻璃瓶密封,装满水,插入一个小玻璃管。玻璃瓶变形引起的液位变化被放大成小玻璃管液位的变化。
4. 累积法
在测量微小量时,我们常常把微小量累加起来,比如测量一张纸的厚度,先测量100张纸的厚度,再除以100,这样测量结果更接近真实值,这就是累加法。
累积法可用来测量邮票的质量、心跳的持续时间以及电线的直径。
5.类比
当我们研究一些非常抽象、看不见摸不着的物理量时,由于难以理解,就拿出一个大家看得见、非常相似的量来进行比较研究。例如,电流的形成和电压的作用,就用我们熟悉的水流的形成来类比,水压使水管中形成水流,从而得出电压是电流形成的原因的结论。学生在学习电学知识时,在老师的指导下联想:水压迫使水向一定的方向流动,在水管中形成水流;同样,电压迫使自由电荷有方向地运动,在电路中形成电流。水泵是提供水压的装置;同样,电源是提供电压的装置。水流过涡轮机时,消耗的水能就转化成了涡轮机的动能;同样,电流通过电灯时,消耗的电能就转化成了内能。
我们研究分子动能时,可以将其与物体的动能进行类比;我们研究功率时,可以将其与速度进行类比。
例:1.学生在学习电学知识时,在教师的指导下,联想到机械实验现象,进行比较,发现了一些相似的规律,下列说法不正确的是( )
A. 水压使得水在管道中流动;同样,电压使得电流在电路中流动。
B.泵是提供水压的设备;同样,电源是提供电压的设备。
C.当水泵工作时,会消耗水能;同样,当灯亮时,会消耗电能。
D.水流过涡轮时,消耗水能,并转换成涡轮的动能。同样,电流流过电灯时,消耗电能,并转换成内能和光能。
分析:C
通过类比,利用水流、水压等人们熟悉的直观认识,使电流、电压等看不见、摸不着的抽象知识活灵活现地跃然纸上。
6.理想化的物理模型:
实际现象和过程一般都很复杂,涉及的因素很多,利用模型方法可以简化、提纯学习和研究,但简化后的模型必须表现出原型所反映的特征和知识,模型方法具有较大的灵活性,每种模型都有有限的适用条件和适用范围。
这种方法在很多中学教科书中都有使用,比如:
液柱,(例如,在计算垂直容器底部液体的压力时,我们选择液柱作为研究对象,对其进行简化。简化后的模型仍然保留了原有的特征和知识)
光(我们研究光的时候,光是一束光,是看不见的,我们用一条可见的实线来表示,这样可以简化问题,使用一个理想化的模型)
液面,(我们在研究连通器的特性,计算大气压的时候,都会取某一位置的液面,来研究液面上的压力和压强,这也是为了简化问题,用理想化模型法)
光是沿直线传播的;(在我们的研究中,我们知道真实的空气并不是处处均匀的,比如越往上走初中物理模型法,空气就越稀薄,又比如风就是因为空气并不是处处均匀而形成的。在“光是沿直线传播的”一节中,我们简化了问题,只取一个简单的模型初中物理模型法,即一束光在均匀介质中传播)
匀速直线运动;(生活中,真正做匀速直线运动的物体非常少,我们研究一个问题的时候,匀速直线运动只是一种模型)
磁通线(磁通线是本来不存在的线,但为了便于研究磁场,我们人为地引入一条线来简化我们研究的问题。)
例:1.在学习物理知识过程中,利用物理模型进行学习的是( )
A.建立速度的概念 B.研究光的直线传播
C.用磁感应线描述磁场 D.分析物体的质量
分析:B,C。
7.科学推理:
当你解释观察到的现象时,你就是在进行推论,或者说是在进行推理。例如,当你的狗在叫时,你可能会推断有人在你门外。要做出这种推断,你需要将这种现象(狗叫声)与先前的知识和经验结合起来,即陌生人来的时候狗会叫。这样,你就能得到一个合乎逻辑的答案。
例如,在进行牛顿第一定律的实验时,当我们结合物体行进的表面越光滑,物体移动得越远的知识时,我们可以推断,如果表面绝对光滑,物体将始终以恒定的速度沿直线运动。
比如我们在做声音不能在真空中传播的实验时发现,空气越少,传递的声音就越小,于是我们推断声音不能在真空中传播。
8.等效替代法:
例如,研究合力时,一个力和两个力引起的弹簧变形是等效的,所以就用这个力来代替两个力,所以叫等效替代法。研究串并联电路的总电阻时也用这种方法。在平面镜成像实验中,我们用两根一模一样的蜡烛来验证物体和像的大小是否相同,因为我们无法真正测量出物体和像的大小关系,所以就用另一根一模一样的蜡烛来等效地代替物体的大小。
9、归纳法:
这是一种通过样本信息推断总体信息的技术。要做出正确的归纳,我们需要从总体中选择一个样本,这个样本必须足够大,具有代表性。我们买葡萄的时候,就用归纳法。我们经常先尝一下,如果都是甜的,我们就得出结论,所有的葡萄都是甜的,就可以放心地买一串了。
例如铜能导电、银能导电、锌能导电,所以我们就断定金属都能导电。为了在实验中验证一个物理定律或定理,我们反复进行实验,验证它的正确性,然后进行总结、分析、整理,得出正确的结论。
在阿基米德原理中,为了验证=Grow,我们分别用石头和木块做了两个实验。经过总结整理,我们得出=Grow。所以我们用这种方法验证了阿基米德原理的正确性。
在验证杠杆的平衡条件时,我们重复了三次实验,验证了F1×L1=F2×L2也采用了这种方法。
通过这种方法可以得出一切发声体都在振动的结论(在实验中对多个结论进行分析整理,得出最终结论时)。
在验证导体的电阻和哪些因素有关时,我们经过多次实验,得出导体的电阻和导体的长度、材质、截面积、温度等有关,这也是我们把实验的结论一起总结出来的结果。
我们在几乎所有的科学实验和原理推导中都使用这种方法。
10.比较法(对比法)
想寻找两件事物的相同点和不同点时,需要用到比较的方法。可供比较的事物和物理量很多。在比较两个不同或相关的事物时,我们主要寻找它们的不同点和相似点,从而进一步揭示事物的本质属性。
例如,比较蒸发和沸腾的相同点和不同点。例如,比较汽油发动机和柴油发动机的相同点和不同点。
例如,电动机和热机,使用电压表和电流表
采用比较法不仅可以加深对它们的理解和区别,让学生很快记住它们,还可以让他们发现一些有趣的东西。
11. 分类
固体分为两类:晶体和非晶体、导体和绝缘体。
12.观察方法
物理学是一门以观察和实验为基础的学科,人们的很多物理知识都是通过观察和实验,经过认真总结和思考而获得的,著名的马格德堡半球实验证明了大气压的存在。在教学中,可以根据课本上的实验要求学生认真细致地观察,进行规范的实验操作,得到准确的实验结果,养成良好的实验习惯,培养实验技能,如长度、时间、温度、质量、密度、力、电流、电压等物理量的测量实验,大多都采用了观察法。
13.比率定义方法:
如:密度、压力、功率、电流等概念公式均采用此方法。
14.多因子乘积法:
例如:电功、电热、热量的概念公式均采用此方法。
15.逆向思维法
例如:从电到磁,我们可以把磁想象成电
以上这些方法,只是初中物理学习中大家会碰到的、会用到的一些科学方法,我在这里列出来,希望对大家有所帮助,也希望大家能够重视这个问题,多了解、掌握一些科学方法,灵活运用,指导我们的学习、工作和生活。