在物理教学中注重对学生科学思维方法的培养

[摘要] 学生掌握解决问题的科学方法要比掌握知识更重要。对于同一个物理问题,采取不同的方法来解决其繁简程度可能会有很大的区别,如果遵循一定的科学思维方法,掌握一定的解题技巧,则往往会到收事半功倍的效果。培养学生的物理思维方法是中学物理教学的重要任务之一,也是发展能力的重要途径。

[关键词] 模型法 类比法 等效法 守恒法 图像法

在高中物理教学中,要培养学生分析、概括、抽象、推理等思维能力和应用数学知识解决物理问题的能力,注重对学生进行基本的解题原理、方法和思路的训练,使学生理解和掌握一些典型的科学思维方法与技巧,养成良好的思维习惯与品质。

一、重视应用物理模型

物理模型法是物理学研究和物理教学中常用的最基本的思维方法,使学生解决实际问题的有力工具。构建正确的物理模型,能使学生对物理现象的本质理解得更加细致深入,有助于学生解决物理问题,培养抽象思维能力。教学实践证明,有许多物理问题,尤其是一些比较复杂的问题,由于其研究对象运动变化过程比较隐蔽、复杂,如果选用某种物理模型来研究时,可建立起已知和未知的关系,使复杂物理问题化难为易,起到事半功倍的效果。比如:

平板车在水平面上做加速度为a的匀加速直线运动,a的方向如图所示,若平板车上装有盛水的容器相对于平板车静止时,则液面倾斜的高度h为 aL/g (设容器宽为L)。

分析:本题的难点是建立正确的物理模型。即:研究对象的选取,要抓住处在倾斜面上的水不会沿斜面向下流而跟车一起做加速直线运动这一事实为突破口,我们就会联想到以前熟悉的一个物理模型,放在光滑斜面体上物块跟斜面体保持相对静止而同斜面体一起做加速运动的物理情境。如图所示,对于这个熟悉的物理模型,可以应用牛顿第二定律求得物块与光滑斜面体保持相对静止时一起做加速运动的加速度为gtanθ,这时放在该斜面上的所有物块同斜面体均能保持相对静止,这样,我们就选倾斜水面上的一微元水做为研究对象(犹如放在光滑斜面上的一个小物块),学生就容易理解液面倾斜时液面高度h的计算结果。

在高中物理复习中,教师可组织学生搜集那些貌似不同,实质相同的物理模型的习题于一起,可通过类比处理,直接利用那些原有模型的已知结论或方法,以简化求解。

二、加强类比的思维方法

类比就是根据两个或两类不同事物的相同、相似的方面,将已经熟悉掌握的某一特殊对象的知识推移到另一新的特殊对象中进行研究的一种思维方法,它具有启发思维,提供线索,举一反三,触类旁通的作用,在物理学研究中得到广泛的应用。应用类比法可以理解概念、掌握规律、定义物理量和消除模糊概念的认识,可以培养思维的灵活性,处理相关联的问题,能创造性地解决一些比较陌生、甚至无法直接求解的问题。比如:

在光滑的水平面上,o点系一长为L的绝缘细线,线的另一端系一质量为m带电量为+q的小球,当沿细线方向加上场强为E的匀强电场后,小球处于平衡状态,现给小球一垂直于细线的初速度V0,使小球在水平面上开始运动,若V0很小,则小球第一次回到平衡位置所需时间为。

分析:由受力情况同单摆模型类比、等效便可得出结论。

在高中物理复习中,往往用类比法,把类似或相同的规律比较对照,使学生对所学知识有一个系统的、整体的印象,便于记忆和应用。

三、注重等效变换的思维方法

就是在保证某一方面物理效果相同的条件下,将复杂的物理情境或过程变换为熟悉简单的情境或过程,从而达到简化问题的目的,它是一种效果等价的思维方法。比如,合力与分力、合运动与分运动,总电阻的概念、交流电的有效值等都是根据等效的观点引入的。应用等效法解决实际问题时,都是抓住效果相同的条件,常利用物理模型等效、过程等效、条件等效、电路等效等分析解决问题。它对学生灵活运用知识,促使知识、技能和能力的迁移,都有很大的帮助。

四、应用守恒的思维方法

守恒观点是物理学中极为重要的思想方法,是我们从更广阔的角度认识系统中某些量的转化和转移并不影响守恒的一种思维方法,如动量守恒、能量转化和守恒、质量守恒、电荷守恒。其中动量、能量守恒是自然界中最重要、最普遍、最基本的客观规律,它贯穿于高中物理学习的始末,是联系各部分知识的主线。应用能量转化和守恒的观点分析问题时,动能定理、功能关系不仅为解决力学知识开辟了一条新的重要途径,同时也是分析解决电磁学和热学问题的重要依据。比如,在“动生类”电磁感应现象中所产生的感应电流在磁场中要受安培力作用,根据功能关系正是通过安培力对导体棒做负功,将机械能转化为电能。教学实践证明,应用动量和能量守恒的观点分析解决问题时,可以不涉及运动细节,而只关心过程中动量和能量转化的关系和过程的始末状态,这样往往能抓住问题的实质,使求解思路变得简捷。

五、掌握数学的思维方法

数学是物理学习和解题中一个不可或缺的工具,我们在处理物理问题的过程中经常要用到数学公式、数学规律、函数图象来讨论分析得出结论。常利用三角函数法、一元二次函数法、一元二次方程根的判别式法、均值不等式、几何图解法,函数求导的方法解决物理问题中的极值问题。常用图像法(矢量图)处理动态的力平衡问题,优点是巧妙、直观而准确地将各作用力大小、方向等变化趋势形象地用图象形式反映出来,大大降低了思维难度和计算分析难度。比如:

从地面上以初速度2v0竖直上抛一物体A,相隔t时间后又以初速度v0从地面上竖直上抛另一物体B,要使A、B能在空中相遇,则t应满足什么条件?

分析:依据S=V0t- gt2/2作s-t图像,可使解题过程大大简化。如图所示,两条图线的相交点表示A、B的相遇时刻,纵坐标对应位移SA=SB由图可直接看出t满足关系式 2v0/g

可见,用图象法解题不但快速、准确,而且还可以避免繁杂的中间运算过程。

在物理解题中,用到的思维方法还有很多。学生的思维能力决定解题能力,在平时教学中,教师要有意识拨点和训练学生的思维,使其在掌握知识的基础上学会一些解题的科学思维方法,这样既提高了学生的思维能力和解题能力,又可使学生对物理的兴趣更加浓厚,形成学习的良性循环。物理学中全面有效的科学方法和思维方法对其他学科也有指导意义,有效地掌握物理学的思维方法,学会学习,学会创新,将对他们的终身学习和可持续发展有着重大的影响。

参考文献:

[1]刘冠军,王维先.科学思维方法论.山东人民出版社,2004,4.

[2]名师伴你行专题集.北京同心出版社,2005,10.

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