比值定義法在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用研究

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(曲阜師范大學(xué)附屬中學(xué))

物理概念是構(gòu)成物理知識的基礎(chǔ)，學(xué)生正確理解、掌握物理概念是學(xué)好物理的前提和基礎(chǔ)。在教學(xué)中只有讓學(xué)生搞清楚引入物理概念的真正意圖，才能使學(xué)生主動深入地了解所要研究的問題，才能使學(xué)生真正掌握物理概念的內(nèi)涵。在學(xué)生對基本概念的理解和應(yīng)用的過程中，滲透著物理研究的科學(xué)思維和科學(xué)方法，在高中物理學(xué)中引入用比值法定義物理量的研究方法，在整個(gè)高中物理學(xué)中具有很重要的意義。

一、比值定義法概念

比值定義法，就是在定義一個(gè)物理量的時(shí)候采取比值的形式定義。用比值法定義的物理概念在物理學(xué)中占有相當(dāng)大的比例。比值定義法的基本特點(diǎn)是被定義的物理量往往反映物質(zhì)的最本質(zhì)屬性，它不隨定義所用的物理量的大小而改變。對于被考察的未知量，先設(shè)法尋找一些外界因素來表示其特征與屬性，再借助實(shí)驗(yàn)尋求一個(gè)僅與物質(zhì)或物體的某種屬性特征有關(guān)的兩個(gè)或多個(gè)可以測量的物理量的比值，就能確定一個(gè)表征此種屬性特征的新物理量。

二、兩種比值定義法

應(yīng)用比值定義法定義的物理量，依據(jù)其意義的不同，可以分為兩種類型：一類是兩個(gè)或多個(gè)物理量的比值是個(gè)常數(shù)，或是個(gè)定值，屬于性質(zhì)量；另一類是描寫物體或物質(zhì)外在的狀態(tài)、外在的作用強(qiáng)弱等，而并不反映其自身固有性質(zhì)，屬于狀態(tài)量。這兩類用比值定義的物理量在教學(xué)中是有差異的。

1.應(yīng)用比值法定義屬于性質(zhì)量的物理量

應(yīng)用比值法定義屬于性質(zhì)量的物理量，往往需要一定的條件：一是客觀上需要，二是間接反映特征屬性的兩個(gè)物理量可測，三是兩個(gè)物理量的比值必須是一個(gè)定值。值得注意的是，教學(xué)中如果僅依據(jù)分析某一事物的某一現(xiàn)象或某種性質(zhì)時(shí)得到的單個(gè)(或同樣)比值來定義相應(yīng)的比值量，而不是將諸多事物的同一性質(zhì)或者將同一事物的不同現(xiàn)象進(jìn)行對比，就會造成該比值量的引入缺乏充分的基礎(chǔ)，學(xué)生也就不容易深刻理解相應(yīng)概念的內(nèi)涵。學(xué)生只有對幾個(gè)不同的研究對象某方面屬性從定性到定量的比較有了清楚的認(rèn)識，才會感到反映該屬性(特性)的性質(zhì)量的引入是自然而然的。

2.應(yīng)用比值法定義屬于狀態(tài)量的物理量

對于用比值定義的描寫物體或物質(zhì)外在的狀態(tài)、外在的作用強(qiáng)弱等的狀態(tài)量，其相關(guān)因素可以不一定成正比。應(yīng)用比值法定義屬于狀態(tài)量的物理量，往往只需要兩個(gè)條件：一是客觀上需要，二是間接反映特征屬性的兩個(gè)物理量可測。但在教學(xué)中要注意充分還原與展現(xiàn)比值法引入物理量的過程，否則學(xué)生會感到難以理解。

三、高中比值定義幾個(gè)典型物理量的特點(diǎn)

(一)勻速直線運(yùn)動物體的速度v

1.定義：在勻速直線運(yùn)動中，物體通過的位移s與所用時(shí)間t的比值叫做勻速直線運(yùn)動的速度。定義式為：v=s/t。

2.物理意義：描述物體運(yùn)動的快慢。

3.特點(diǎn)：勻速直線運(yùn)動的速度是恒定不變的，即v是確定的，與s和t無關(guān)，既不隨s的增大而增大，也不隨t的增大而減小。因而不能這樣敘述：勻速直線運(yùn)動的速度與位移成正比，與時(shí)間成反比。

(二)勻變速直線運(yùn)動的加速度a

1.定義：在勻變速直線運(yùn)動中，物體速度的變化△v與所用時(shí)間△t的比值叫做勻變速直線運(yùn)動的加速度。定義式為：a=△v/△t。

2.物理意義：描述物體速度變化的快慢。

3.特點(diǎn)：勻變速直線運(yùn)動的加速度是恒定的，即a與△v和△t無關(guān)，而是由物體受到的合外力和物體的質(zhì)量共同決定的。

(三)電場中某點(diǎn)的電場強(qiáng)度E

1.定義：放入電場中某點(diǎn)的電荷(也叫檢驗(yàn)電荷)受到的電場力F跟它的電荷量q的比值，叫做電場在這一點(diǎn)的電場強(qiáng)度。定義式為：E=F/q。

2.物理意義：描述電場的強(qiáng)弱。

3.特點(diǎn)：一個(gè)電場一旦確定了，電場中某點(diǎn)的電場強(qiáng)度也就確定了，由電場及該點(diǎn)在電場中的位置決定。在該點(diǎn)放上不同的電荷，它受到的電場力將不同，但電場力F跟它的電荷量q的比值是不變的，即電場中某點(diǎn)的電場強(qiáng)度與放在其中的檢驗(yàn)電荷無關(guān)，與檢驗(yàn)電荷受到的電場力也無關(guān)。即使在該處不放電荷，該出的電場依然存在，電場強(qiáng)度仍為定值。

(四)電容器的電容C

1.定義：電容器所帶電荷量Q與電容器兩極間電勢差U的比值叫電容器的電容。定義式為：C=Q/U。

2.物理意義：表征電容器容納電荷的本領(lǐng)。

3.特點(diǎn)：對于固定電容器，其電容是不變的。即電容器容納電荷的本領(lǐng)是由電容器本身決定的，不取決于電容器所帶的電荷量多少和兩極間電勢差的大小，即使電容器不帶電，兩極間不加電勢差，其電容也是存在的。

(五)導(dǎo)體的電阻R

1.定義：加在導(dǎo)體兩端的電壓U與流過導(dǎo)體的電流I的比，叫做導(dǎo)體的電阻。表達(dá)式為：R=U/I。

2.物理意義：表征導(dǎo)體對電流的阻礙作用。

3.特點(diǎn)：一段確定的導(dǎo)體，對電流的阻礙作用是確定的，與導(dǎo)體兩端的電壓、流過導(dǎo)體的電流無關(guān)。導(dǎo)體的電阻，由導(dǎo)體的材料、粗細(xì)、長短及溫度決定。

(六)磁場中某處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B

1.定義：在磁場中某處，垂直于磁場方向放置的一小段通電直導(dǎo)線，受到的安培力F，跟電流I和導(dǎo)線長度L的成績IL(稱作電流元)的比值，叫該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。定義式為：B=F/IL。

2.物理意義：描述磁場的強(qiáng)弱。

3.特點(diǎn)：在磁場中某處，垂直于磁場方向放入相同長度(L)的直導(dǎo)線，通入不同的電流I，該導(dǎo)線受到的安培力F不同，但F/IL是一個(gè)恒量；在該處放入不同長度(L)的直導(dǎo)線，通入相同的電流I，該導(dǎo)線受到的安培力F不同，但F/IL仍是一個(gè)恒量，且兩種情況下的恒量是相同的。這說明磁感應(yīng)強(qiáng)度B，與通電直導(dǎo)線受到的安培力F、電流元IL無關(guān)，是由磁場本身決定的。

通過對以上幾個(gè)量的分析可知，它們有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即表征物質(zhì)某一方面的性質(zhì)，由所表征的物質(zhì)決定，它的大小與物體自身的性質(zhì)有關(guān)，與定義它的其他物理量并無直接的關(guān)系。牢牢抓住這一特點(diǎn)，在教學(xué)中就要正確無誤地說明物理量的定義，明確指出此類物理量的特點(diǎn)，列舉實(shí)例說明分析這一特點(diǎn)，突出決定性的因素，澄清認(rèn)識。各物理量都有其特定的物理意義，教學(xué)中要進(jìn)行深入細(xì)致的分析，反復(fù)舉例說明，抓住特征，理解概念。采用類比法教學(xué)也能收到較好的效果。例如，學(xué)生理解了勻速直線運(yùn)動的速度是不變的，在教授其它幾個(gè)類似的物理量時(shí)，就可以和它進(jìn)行對比說明，往往會收到事半功倍的效果。

總之，在教學(xué)中講解用比值法定義的物理量時(shí)一定要讓學(xué)生認(rèn)識到被定義的物理量是反映了物體或物質(zhì)的物理屬性，理清物理知識的內(nèi)涵，切忌被數(shù)學(xué)符號形式化，忽視了物理量的豐富內(nèi)涵，只有從量度公式中揭示所定義的物理量與相關(guān)物理量的真實(shí)依存關(guān)系和物理過程，才能達(dá)到對知識的真正理解。當(dāng)然物理概念來源于生活實(shí)際，授課時(shí)要讓學(xué)生明白現(xiàn)實(shí)生活中的一些物理量之間的比值是有意義的，新物理量的名稱只是為了區(qū)分這些具有不同意義的比值。學(xué)生只有明白引入某一物理概念的真正意圖，才能對要研究的問題有深入的了解，才能說真正地掌握了一個(gè)物理概念。