物理教學中的科學方法教育

秦春霞

【摘要】為了適應新時代的要求，我們在物理教學中，不但要使學生掌握知識，尤其需要培養學生正確的科學方法。建立物理模型是物理學研究的重要方法之一。在進行物理模型教學中，重點是使學生領會抽象概括出理想化模型的方法，明確建立物理模型的基本步驟。

【關鍵詞】科學方法；物理模型；基本步驟；氣體模型

隨著知識經濟的到來，21世紀的文盲將是不會學習的人，因此，學會怎樣學習比學習什么更為重要。在物理教學中，我們不但要使學生掌握知識，尤其需要培養學生正確的科學方法。

物理模型是物理規律和物理理論賴以建立的基礎，它是抽象化了的物理研究對象、物理條件和物理過程，這種對研究對象本質因素進行抽象的方法，就是模型方法，是物理學研究的重要方法之一、在中學物理教學中，學生所學習的每一條物理原理、定理或定律都與一定的物理模型相聯系；解決每一個物理問題的過程，都是選用物理模型、使用模型方法的過程、因而，正確識別、建立物理模型以及熟練使用模型方法是學生應該具備的基本物理素質，也是高考選拔具有學習潛能的考生的重要內容。因此，我們在課堂中要注重培養學生建立物理模型的能力，掌握建立模型的方法，以適應新時代的要求。

在進行物理模型教學中，重點是使學生領會抽象概括出理想化模型的方法，明確建立物理模型的基本步驟：

一、觀察實驗現象積累經驗

例如，我們在學習氣體時，雖然它就在我們周圍，但是我們看不見摸不著它，它究竟是什么樣的？我們可以引導學生觀察實驗現象。

1. 用嗅覺體驗。打開一瓶氨水，你馬上聞到氨氣刺鼻的味道。

2. 用看得見的氣體做實驗。滴幾滴溴到一個量筒里，然后用一塊玻璃板蓋住它，黃紅色的溴蒸氣在量筒中越爬越高，很快溴氣就均勻充滿整個量筒。

3. 壓縮空氣。堵死自行車打氣筒或噴水器的出口，壓它的活塞；試著壓縮一個已經吹脹的氣球。氣球可以被壓縮，它的體積可以縮小，但是，氣體的體積不可以無限制的縮小，你想把它壓得越小就越困難。

二、抓主要因素，忽略次要因素，在經驗事實的基礎上建立物理模型

讓我們根據上述實驗現象——氣體的膨脹和混合的性質來建立氣體的模型。比方說，讓我們想象氣體是一大量向四面八方不停飛行的小彈子球，組成氣體的這些小不點兒非常之小，因為我們看不見它們。我們想象它們是球形的，因為這是最簡單的形狀。每個人都知道短尾巴的、三角耳朵的卷毛狗，但是卻沒有人把看不見的氣體想象成像一條卷毛狗那樣。這樣的模型使圖像不必要的復雜化，復雜的模型使思索更困難，它不必要的細節會把我們導入死胡同。為了更容易理解，應當建立能夠解釋這種現象的盡可能簡單的模型。

這些小彈子球必須運動，因為這樣才能解釋氣體的膨脹和混合，它們相互撞擊并且撞擊容器壁。它們的無規飛行使它們充滿提供給它們的體積。不過，這大量的彈子球并不把容器完全填實，否則就沒法解釋氣體的可壓縮性。

三、用建立的物理模型解決實際問題，預言未知現象

我們可以試著用新建立的模型來解釋壓力。

把一個乒乓球扔到天平的一個秤盤上，再把一些小彈子球撒到秤盤上，注視天平的指針。乒乓球碰到秤盤后反跳，它就給秤盤一個沖擊，由連續倒下的小彈子球造成的沖擊就生成了壓力。把氣體想象成大量彈子球的聚集體，這個模型就解釋了氣體連續的壓力。

以往我們在講氣體壓強的微觀解釋時，由于空氣看不見，分子比較抽象，因此給教學帶來一定的困難，學生的理解接受比較困難。如果我們在前面的學習時就用宏觀物體建立物理模型，使抽象的分子形象化、具體化，就可以很好地啟發了學生的認識和理解，在此處分析氣體壓強的微觀解釋就水到渠成，收到較好的教學效果。分析如下：

垂直作用于一個表面上的力F除以其面積A叫作壓強p。下面用模擬實驗考察影響壓力F的諸因素。

模擬實驗1： 壓力pA依賴于撞擊的頻度

用小彈子球做空氣的模型，.把盛彈子球的杯子拿到一個小稱上空h=5cm高處，在t=10s內倒N=100粒彈子球連續倒到微微凸起的稱盤上，稱的指針會在一個平均值左右擺動.讓我們記下這一平均值。重復這一實驗，但第二次N=100粒彈子球在一半的時間即t=5s內倒出，這時稱的指針指示的平均值大約是頭一次實驗指示的值的兩倍。

彈子球的數目N除以傾倒時間t就得到撞擊頻度，我們用n來表示：n = N/t。從實驗得到，增加撞擊頻度n，壓力pA也增加。

模擬實驗2：壓力pA依賴于彈子球的質量

在t=5s里從h=5cm高度把N=100粒彈子球倒到稱盤上，然后用同樣數目的兩倍質量的彈子球重復這個實驗。觀察到，后一情況下稱的指針指示的平均值也大約是頭一次實驗指示的值的兩倍。從實驗得到，彈子球的質量增加，壓力pA也增加。

模擬實驗3：壓力pA依賴于彈子球撞擊的速率大小

先從h=5cm的高度，然后從h=20cm的高度，在t=5s里把N=100粒彈子球倒到稱盤上。觀察到，后一情況下稱的指針指示的平均值大約是頭一次實驗指示的值的兩倍。

在落向稱盤的過程中彈子球的勢能轉變為動能，從4倍高度落下的彈子球以兩倍大的速率撞擊稱盤。從實驗得到，增加撞擊的彈子球的速率，壓力pA也增加。

模擬實驗4：壓力pA依賴于彈子球速度的變化

把一個橡皮球和一團生面團掉到地上，我們觀察到面團停止運動，而橡皮球以原來速率反向運動，速度變化值為2v，動量變化值為2mv。顯然橡皮球是容器內亂撞的氣體彈子球更好的模型.

根據動量定理，很容易知道器壁對每一個彈子球的作用力的沖量為I=2mv。若t時間內有N個各彈子球撞擊器壁，那么容器壁得到的動量之和是N·2mv。于是容器壁作用在氣體上的力的時間平均值是：F=N·2mv/t。氣體以同樣大小但方向相反的力壓迫容器壁：pA= N·2mv/t=n·2mv。

四、用新的實驗現象檢驗這個物理模型的適用范圍，進一步修正物理模型

我們此處建立的氣體模型中，彈子球是一粒一粒的相互獨立的，它們之間沒有力的作用即理想氣體。我們在學習氣體定律時都要加適用條件：溫度不太低，壓強不太大。在此條件以外，溫度很低、壓強很大時，此氣體模型需要修正。氣體模型的修正涉及大學物理知識，但為了知識的完整性，我們可以簡單的介紹。

教學中，通過對物理模型的設計思想及分析思路的教學，能培養學生對較復雜的物理問題進行具體分析，區分主要因素和次要因素，抓住問題的本質特征，正確運用科學抽象思維的方法去處理物理問題的能力，有助于學生思維品質的提高，有助于學生去掌握物理學的研究方法，奠定了學生獲取知識、自主創新的基礎。

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