初中物理科學探究的方法及應用

江蘇省寶應縣望直港鎮中心初中 劉學山

物理是一門以觀察和實驗為基礎的自然科學。2011 年版的《義務教育物理課程標準》在課程性質中指出：“此階段的物理課程，應注意讓學生經歷實驗探究過程，學習科學知識和科學探究的方法，提高分析問題和解決問題的能力。”根據這一要求，初中物理教學不再機械地要求學生對知識和技能的記憶性學習和重復性操作，而是要求他們運用探究科學問題的方法，驗證已有的物理原理，探究知識的生成過程，這既是學好物理的本質要求，也是新課程改革的必然需要。常言道，方法比能力更重要。對剛剛接觸物理學科的初中生來說，正確認識、熟練掌握以下常用的科學探究方法，并能將其綜合運用到物理學習之中是至關重要的。

一、控制變量法

物理學中，一個物理量可能會受到多個物理量因素的影響和制約，對這種多變量問題的研究，我們一般采用控制變量法。控制變量法是把多因素問題分解為若干個單因素問題來研究的方法，為了明確這個物理量與某個因素的關系，每次只改變一個因素，而控制其余幾個因素不變，逐個研究，最終全部綜合解決。控制變量法是物理學科最常用的科學探究方法，廣泛運用于初中物理各種探究實驗之中。

【例1】圖1是興趣小組為“探究影響導體電阻大小因素”設計的電路，其中4根電阻絲的規格、材料如表1所示。

圖1

表1

（1）在M、N間分別接入導體A和B，可探究電阻與___________的關系，若測得電流分別為IA=0.3 A、IB=0.2 A，則可得到的結論是___________________________。

（2）要探究電阻與橫截面積的關系，可選擇______和_______（選填編號）進行實驗。

（3）小紅在探究同樣的課題時，手邊只有一根金屬絲，她利用這根金屬絲和上述電路，不能通過實驗驗證電阻的大小與________的關系。

本題實驗主要采用的就是控制變量法，導體的長度、材料、橫截面積等因素，都可能影響導體電阻的大小。在這些相互關聯的物理量之間，每個量的變化都受到另一個物理量的制約。在進行科學探究時，需要分別控制其他物理量相同。在探究本實驗時，每次只需要改變長度、材料、橫截面積中的一個因素，同時控制另外兩個因素不變即可。

初中物理需要運用控制變量法探究的知識內容很多，以人教版初中物理教材為例，典型實驗如表2 所示。

表2

二、理想模型法

研究物理問題時，常把研究對象稱之為模型，把確立研究對象的過程，稱之為建模。人們往往根據具體情況建立不同的物理模型，如用磁感線描述磁場；用電路圖表示各種電路元件的連接情況；用一根帶箭頭的直線表示光線。運用類似研究方法的還有力的示意圖、原子結構模型等。它們都是在觀察和實驗的基礎上，為了突出主要因素而忽略次要因素，采用理想化方法創造出來的物理模型。理想模型法能把學生難以理解的復雜物理問題，轉化成容易接受的簡單物理情境，便于學生對物理問題的探討和理解。

【例2】自從湯姆遜發現了電子，人們便開始研究原子的內部結構。科學家提出了許多原子結構的模型，在二十世紀上半葉，最為大家接受的原子結構與圖2中的哪一個最相似？（）

圖2

利用模型理解物質結構或物理現象，可以使學生形象、直觀、具體地處理復雜的物理問題。但是這種模型也不是憑空想象的，而是建立在一定科學意義的基礎上的。在物理教學和實際研究過程中，理想模型法還有另外一種運用方式，那就是對研究對象的運動條件或運動過程進行近似處理，使之成為理想的過程，并用理想過程來研究物理問題，降低學生的理解難度，如勻速直線運動、摩擦力忽略不計的光滑平面、不計空氣阻力的物體運動、不計重力的輕質杠桿等。在初中物理教學過程中，能讓學生學會建構模型或透過現象識別模型，是解決復雜物理問題的關鍵所在。學生學習物理的不斷進步，物理學科的持續發展，本身就是一個不斷建立物理模型、理解物理模型、改革物理模型的動態發展過程。

三、等效替代法

物理學科中的等效，是指不同的物理現象和物理模型，它們在形成過程或物理規律方面是相同的，可以相互替代，而保證得出的結論相同。等效替代法，就是面對一個較為復雜的、難以理解和難以常規處理的物理問題時，在保證效果相同的情況下，提出一個簡單的方案或設想，化難為易，將其轉化成簡單的、熟悉的、容易處理的問題，找出其中規律，從而使復雜的問題得到簡化而便于求解。歷史故事中的“曹沖稱象”就是典型的等效替代法具體而生動的應用。

【例3】小清設計的測量某一待測電阻Rx阻值的電路如圖3甲所示，圖中電源電壓保持3 V不變，滑動變阻器R的規格為“50 Ω 1 A”。

圖3

他的測量步驟如下：

第1步：只閉合開關______，調節_____（選填“R”或“R0”），使電壓表示數為2 V。

第2步：只閉合開關______，保持_____（選填“R”或“R0”）不變，調節_____（選填“R”或“R0”），使電壓表示數仍為2 V，讀出此時電阻箱接入電路中的阻值（如圖3乙），則待測電阻的大小為______Ω。

初中物理常用伏安法測量未知電阻的阻值，但對于阻值較大的待測電阻，由于電路中電流太小，導致誤差很大，用等效替代法就能很好地解決這一難題。等效替代法的應用還有研究合力，研究等效電路，用排開液體的方法測物體體積，研究串、并聯電路的總電阻等。在探究平面鏡成像的實驗中，人們利用透明玻璃板代替平面鏡，還利用另一根完全相同的蠟燭來替代玻璃板前蠟燭所成的像，非常順利地總結出了平面鏡成像的特點，教學效果也非常好。

四、轉換法

無風樹不動，有風樹枝搖。通過空氣的流動，即刮風所產生的作用效果來認識空氣，這種研究問題的方法就是轉換法。轉換法將一些抽象的現象，看不見、摸不著的物質，或不便于直接測量的物理量等，轉換為學生看得見、摸得著、感覺得到的或便于直接觀察和測量的宏觀現象來認識它們。用形象代替抽象，用有形代替無形，是轉換法的最本質特征。

【例4】如圖4所示，在探究“物體動能的大小與哪些因素有關”的實驗中，讓同一鐵球從斜面的不同高度由靜止釋放，撞擊同一木塊。請回答下列問題：

（1）該實驗是研究_____（選填“鐵球”或“木塊”）動能的大小與______的關系。

（2）本實驗用到的物理方法是：________，________。

（3）讓同一鐵球從斜面的不同高度由靜止釋放的目的是___________________。

（4）該實驗是通過觀察_____________________來比較鐵球動能的大小。

（5）通過圖4甲、乙的實驗探究可以得出的結論是____________________________。

圖4

本實驗通過木塊被鐵球碰撞后移動的距離來比較鐵球動能的大小。初中物理實驗中類似的還有根據電流產生的作用，即電流的效應來判斷導體中是否有電流通過；通過磁場對放入其中的小磁針的作用來認識磁場；通過墨水的擴散現象來認識分子和分子的運動；研究液體壓強時，通過U 型管兩邊液面高度差來表示壓強的大小；研究影響電流熱效應的因素時，通過溫度計示數的變化量來反映電流通過導體時產生熱量的多少；用液體熱脹冷縮時體積的變化來反映物體的冷熱程度；用浮力表示物體表面受到的壓力差；用電磁鐵吸引大頭針數目的多少來研究電磁鐵磁性的強弱等。

五、圖像法

利用圖像處理數據，是科學探究的常用方法之一。圖像是一個數學概念，在物理學中，常采用數學中的函數圖像，來直觀、形象地表示一個量隨另一個量的變化關系或物理變化過程和物理量之間的變化關系，把物理問題清晰地展現出來，大大減少了復雜的數學運算。在初中物理中，晶體和非晶體的熔化、凝固，水的沸騰等，都可以用溫度和時間圖像表示物理現象和物理量之間的變化關系，進而反映熔化、凝固、沸騰這些物態變化過程的特點。

【例5】圖5甲是“探究某種固體物質熔化特點”的實驗裝置，圖5乙是根據實驗數據描繪出的該物質在實驗過程中溫度隨時間變化的圖像。

（1）在實驗中，用燒杯中的熱水加熱試管中的固體物質，好處是______________________________________；由圖5乙可知，該物質是__________（選填“晶體”或“非晶體”），依據是_________________________________。

（2）實驗中，應始終注意觀察試管中物質的______變化，并每隔0.5 min記錄一次溫度計的示數，研究_______________________________________________________。

（3）圖5乙中，該物質在t1時具有的內能_______（選填“大于”“等于”或“小于”）在t2時的內能。

（4）學習結束后，實驗小組的同學繼續研究了a、b兩種固態物質的熔化過程，作了a、b兩種物質溫度隨時間變化的圖像，如圖5丙所示，并得出了a、b不屬于同一類固體的結論，你認為他們的結論是否正確？________________，理由是_________________________________。

圖5

解此類圖像題，首先要看清橫坐標和縱坐標表示的物理量及標度。在此基礎上，再觀察圖像本身是直線還是曲線，并根據圖像確定物理量的變化趨勢，明確各線段所表示的物理量是什么，它是如何變化的。然后，觀察圖像的起點、終點及中間的轉折點，弄清各點所表示的物理意義。最后，針對題目中所提出的問題，加以比較分析，綜合解決。各地的考題中涉及的圖像類題目，通常還有通過體積和質量圖像，考查有關密度的問題；通過溫度和時間圖像，考查有關物質比熱容的問題；通過功和時間圖像，考查有關功率的問題；通過物體燃燒放出的熱量多少和質量圖像，考查有關熱值的問題；通過電流和電壓圖像，考查有關電阻、電功率的問題等。

除了以上一些研究方法外，初中物理實驗還常常用到觀察比較法、實驗推理法和類比法等。物理教學離不開實驗，實驗必須依靠科學的探究方法。作為物理教師，我們要優化教學方法，整合信息資源，幫助和啟發學生采用最科學、最合理、最有效的探究方法，為學生的科學探究提供支持，激發他們的學習興趣，培養他們的創新能力。