[职称论文]初中物理教学论文 物理科学探究常用的研究方法及考点评析

1 物理科学探究常用的研究方法及考点评析 物理课程标准要求，在突出科学探究内容的同时，重视研究方法的指导，使学生在进行科学探究、学习物理知识的过程中，逐渐拓宽视野，初步领悟到科学研究方法的真谛。因此，注意考察研究物理问题的方法，必将成为当前和今后中考的热点。 在初中阶段，需要学生掌握的科学研究方法主要有：控制变量法、等效替代法、转换法、理想化模型、理想化实验、类比法等。现结合 2008 年全国各地中考试题谈谈物理教材中的研究方法问题。 一、控制变量法 控制变量法就是把一个多因素 影响某一物理量的问题，通过控制某几个因素不变，只让其中一个因素改变，从而转化为多个单一因素影响某一物理量的问题的研究方法。这种方法在实验数据的表格上的反映为：某两次实验只有一个条件不相同，若两次实验结果不同，则与该条件有关，否则无关。控制变量法是中学物理中最常用的研究方法，在中考中考察的力度也最大 。 例 1（ 2008 年湖北黄石市）下表是某实验小组所做的“探究摩擦力大小跟哪些因素有关”的实验记录： 实验次数 接触面的材料 压力 F/N 摩擦力 f 摩 N 木块与木板 8 l 6 木块与木板 12 2 4 木块与毛巾 12 5 0 （ 1）分析比较序号与的实验数据，可得出的结论是 。 （ 2）分析比较序号 的实验数据，可得出的结论是：压力相同时，接触面越粗糙，摩擦力越大。 （ 3）上述研究方法叫“拉制变量法”，下列实验中用到此方法的有 （填序号） 探究电压、电流与电阻的关系；探究动能跟哪些因素有关；探究固体熔化时温度的变化规律；研究影响电磁铁磁性强弱的因素。 研究 方法点拨： 摩擦力的大小与接触面上的压力和接触面的粗糙程度有关。根据控制变量法的研究思想，研究摩擦力与压力关系时，应控制粗糙程度相同，反之研究摩擦力与粗糙程度关系时，应控制压力相同。 与两次实验在接触面的材料相同时，压力不同造成摩擦力不同，所以可得出结论：在接触面材料性质相同时，压力越大，摩擦力就越大；而由表中数据可知：压力相同，接触面粗糙程度不同造成摩擦力不同的是。 参考答案： （ 1）在接触面材料性质相同时，压力越大，摩擦力就越大；（ 2）；（ 3）。 2 联想： 教材中涉及到 控制变量法的知识主要有：探究摩擦力的大小与什么因素有关；探究压力的作用效果跟什么因素有关；研究液体内部的压强规律；探究动能（或重力势能）的大小与什么因素有关；探究不同物质的吸热能力与物质种类、质量、温度的关系；研究决定电阻大小的因素；探究电阻上的电流与电压的关系；探究电功（或电热）跟什么因素有关；研究影响电磁铁磁性强弱的因素；研究感应电流的方向跟什么因素有关；研究通电导体在磁场中的受力与什么因素有关等等。 二、等效替代法 等效替代法是指在保证某一方面效果相同的前提下，用理想的、熟悉的、简单的 物理对象、物理过程、物理现象来替代实际的、陌生的、复杂的物理对象、物理过程、物理现象的思想方法。简言之，等效的方法就是对一个较为复杂的问题，提出一个简单的方案或设想，而使它们的效果完全相同，从而将问题化难为易，求得解决。 例 2（ 2008 年山东潍坊）如图所示，在探究“平面镜成像的特点”实验中，将玻璃后放一只与 A 完全相同的未 点 燃 的 蜡 烛 ， 这 样 做 的 目 的 是 探究 用直尺分别测量蜡烛和像到玻璃的距离，目的是 。 研究方法点拨： 替代法的测量思路是等效的思想。由于平面镜成的像是虚像，此像实际不存在。若像的位置确定不下来，平面镜成像的特点便无从研究。实验时，我们可以拿一根蜡烛在玻璃板后面来回移动，直到看上去它跟镜前蜡烛的像完全重合，则有等效替代的思想可知第二根蜡烛可以代替第一根蜡烛的虚像。 参考答案： 像与物的大小关系；探究像和物到平面镜的关系。 联想： 教材中涉及到等效替代法的知识主要有：研究平面镜成像特点时，用镜后未点燃的蜡烛代替镜前点燃蜡烛的像；研究多开关复杂电路时， 用简单的“等效电路”简化复杂电路；研究串并联电路的电阻关系时引入“等效电阻”的概念；研究各分力的作用效果时引入了“合力”的概念。 三、转换法 物理学中有的物理现象不便于直接观察，有的物理量不便于直接测量，通过转换为容易观察或测量的与之相等或与之相关联的物理现象，从而获得结论的研究方法叫转换法。转换法中被转换的对象很多，可以是物理模型、研究对象和研究方法，也可以是某个图形，某个物理量。初中物理在研究概念、规律和实验中多处应用了这种方法。 有的物理现象不便于直接观察，如分子、电流、磁场看 不见、摸不到，我们可分别通过墨水的扩散现象、电流产生的效应、磁场中小磁针的偏转来认识并研究它们。 3 有的物理量不便于直接测量，如电阻、电功率等量不宜直接测量，我们可转化成用电压表、电流表分别测出电压 U 和电流 I，然后分别由公式 、 计算出电阻和电功率。 例 3（ 2008 年山东淄博）在研究电磁铁的磁性强弱跟什么因素有关时，小华和小明从实验室选取了匝数分别为 50 匝和 100 匝的外形相同的电磁铁，并先后将这两个电磁铁接入电路中，如图所示。闭合开关 S 后用电磁铁吸引大头针，并移动滑动变阻器的滑片 P 重复了多次实 验，记录如下： 线圈匝数 50 100 实验次数 1 2 3 4 5 6 电流表示数 A 1 0 1 3 1 6 1 0 1 3 2 0 吸引大头针的最多数目枚 5 8 10 10 16 25 （ 1）实验中他们是通过电磁铁 来判定其磁性强弱的； （ 2 ）分析第 1 2 3 次 的 实 验 记 录 ， 可 得 出 结论： ； （ 3 ） 分 析 第 1 4 次和 2 5 次 的 实 验 记 录 ， 可 得 出 结论： 。 研究方法点拨： 首先要知道电磁铁磁性的强弱是看不见的，通过电磁铁吸引大头针的数量可以间接知道电磁铁磁性的强弱，这就是转化的思想。由前三次实验可以看出：在线圈的匝数相同时，线圈中的电流越大，电磁铁的磁性越强；由第 1 4 次实验数据可以看出：在线圈中的电流一定时，线圈的匝数越多，电磁铁的磁性越强。 参考答案： 吸引大头针的最大数量；在线圈的匝数一定时，线圈中的电流越大，电磁铁的磁性越强；（ 3）在线圈中的电流一定时，线圈的匝数越多，电磁铁的磁性越强。 联想： 教材中涉及到的转换法的知识主要有： 1现象转换：通过观察压强计 U 型管内液柱的高度差判断液体内部有压强；通过马得堡半球实验证明大气压的存在；通过观察木块被运动的小球碰撞后移动距离的大小来比较动能的大小；通过观察木桩被落下的金属块撞击后陷入沙坑中的深浅来比较重力势能的大小；通过墨水的扩散现象来认识分子的无规则运动；通过观察验电器上 锡箔片的开合来判断物体是否带电；通过电流产生的（热、磁、化学）效应来判断电流的存在；通过观察电流表示数 4 来比较导体电阻的大小；通过砝码被提升的高度判断电功的多少；通过煤油温度的变化来判断电流产生热量的多少；通过指南针指南北证明地磁场的存在；通过磁体会使小磁针发生偏转来判断磁场的存在；判断通过电磁铁吸引大头针的多少来比较电磁铁磁性的强弱等等； 2测量转换：在测不规则物体的体积时转换成测物体排开水的体积；在测量滑动摩擦力时转化成测拉力的大小；在测量大气压强时转化成测被大气压压起的水银柱的压强；密度、压强 、功率、电阻、电功率的测量等等。 四、理想化模型法 理想化模型是指把建立理想模型法：把复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建理想化的物理模型，这是一种重要的物理思想，在建立理想化的物理模型的基础上，有时为了更加形象地描述所要研究的物理现象、物理问题，还需要引入一些虚拟的内容来直观、形象的表达物理情境。如光线、磁感线都是虚拟假定出来的，但它们却可以直观、形象地表述物理情境与事实，方便的解决问题。通过光线研究光的传播路径与方向；通过磁感线研究磁场的分布；杠 杆也是一种理想化模型，由于受力的作用会引起或大或小的形变，在研究物理问题时可以忽略不计，即理想化的杠杆可以无形变。 例 4（ 2008 年河南） 物理研究中常常用一个抽象的“模型”来形象地突出事物的主要特征，如：可以用一条有方向的直线光线，来表示光的传播方向。下列事例中，也用到这种方法的是（ ） A研究电流时把它与水流相比 B用音叉溅起的水花显示音叉的振动 C用水银气压计测量大气压 D利用磁感线来描述磁场 研究方法点拨： 光线、磁感线都是虚拟假定出来的， 但它们却可以直观、形象地表述物理情境与事实，方便的解决问题，通过光线研究光的传播路径与方向，通过磁感线研究磁场的形状及分布；而研究电流时把它与水流相比用到的是类比法，用音叉溅起的水花显示音叉的振动用到的是转化法。 参考答案： D。 联想： 教材中涉及到理想模型法的知识主要有：表示光的直线传播的光线，描述磁场的磁感线，描述力的图示、示意图，推导液体压强公式时选取的“液柱”，分析连通器原理使用的“液片”，研究肉眼观察不到的原子结构时建立原子核式结构模型等都属于理想化模型。 五、理想化实验 （实 验推理法） 理想实验又叫做假想实验，它是人们在思想中塑造的一种理想实验，是逻辑推理的一种特殊形式。它是在观察实验的基础上，忽略次要因素，进行合理的推想，得出结论，达到认识事物本质的目的。它既要以实验事实作基础，但又不能直接由实验得到结论。 5 理想实验在物理学的理论研究中有重要的作用。比如，我们在探究空气能传声的实验中，逐渐将真空罩内的空气抽出，听到罩内的闹钟的声音逐渐变弱，于是我们推理得出将真空罩内的空气抽完（即真空），就听不到闹钟的声音了，从而得出真空不能传声的结论。这里采用的方法就是理想化 ，因为无论怎样抽气是不可能将真空罩内的空气抽完的。 例 5（安徽芜湖） 牛顿曾研究过这样一个问题：他发现人掷出去的石头总会偏离掷出方向落回地面，于是牛顿提出了一个“大炮”的设想。如图是他画的“大炮”草图在地球的一座高山上架起一只水平大炮，以不同的速度将炮弹平射出去，射出速度越大，炮弹落地点就离山脚越远。他推想：当射出速度足够大时，炮弹将会如何运动呢？牛顿通过科学的推理得出了一个重要的结论。这就是著名的“牛顿大炮”的故事，故事中牛顿实际也用到了理想实验的研究方法。 （ 1 ）研究中牛顿基于的可靠 事实是 ； （ 2 ） 根 据 以 上 资 料 和 牛 顿 的 “ 大 炮 ” 草 图 ， 推 测 牛 顿 当 年 的 重 要 结 论是 ； 如 今 ， 牛 顿 当 年 的 推 测 已 变 成 了 现 实 ， 人 们 应 用 他 的 推 论 ， 利 用 现 代 科 技 制 成了 。 研究方法点拨： 地球附近的物体都受到重力的作用，所以抛出去的石头总会偏离掷出去的方向落向地面，这是事实。我们假定水平 射出去的炮弹不受重力的作用，当炮弹水平射出后，由于地球不是一个平面而是圆的，炮弹会离地面越来越远，站地面的人看来，炮弹在往高处飞去，但事实上炮弹要受到重力的作用，这样使它向前飞行远离地面的同时，运动方向时刻会发生改变，向着地面下落，如果炮弹射出去的速度合适，它会围绕地球作圆周运动。现代的人造地球卫星就是利用这个原理制成。 参考答案： 人掷出去的石头总会偏离掷出方向落回地面；抛出物体的速度足够大时，物体将离开地球，绕地球旋转，做圆周运动；人造地球卫星。 联想： 教材中涉及到理想化实验的知识主要 有：研究真空不能传声；用“斜面小车实验”研究牛顿第一定律等等。 六、类比法 类比法是一种推理方法。它是指为了把要表述的物理问题说的清楚明白，人们常常用具体的、有形的人们所熟知的事物来类比要说明那些抽象的、无形的、陌生的事物。通过类比使人们对所要揭示的事物有一个直接的、具体的、形象的认识，找出类似的规律。 如 研究电流时类比水流，形象直观的比较，很容易被学生理解记忆牢固。 例 6（天门中考） 19 世纪末，汤姆逊发现了电子，将人们的视线引入到了原子的内部，由此，科学家们提出了多种关于原子结构的模 型。通过学习，你认为原子结构与下列事物结构最接近的是（ ） 6 A西红柿 B西瓜 C面包 D太阳系 研究方法点拨： 大家首先要在头脑中再现学习过的原子结构的模型：原子由位于原子中心的原子核和核外电子组成，核外电子在原子核的电力吸引下，绕核高速运动，这与太阳系十分相似。太阳系中太阳位于中心，八大行星在引力作用下绕太阳运转。它们在空间结构和运动方式上都是相似的。 联想： 教材中涉及到类比法的知识主要有：研究电流时类比水流；研究分子内能时类比物体的机械能；学习功率时类比 速度；学习大气压时类比液体压强；研究电磁波时类比水波等等。 总之，利用控制变量法研究物理问题，注重了知识的形成过程，有利于扭转重结论、轻过程的倾向；等效替代法在效果相同的情况下将问题化难为易，求