物理科学研究方法

初中物理科学研究方法

新课程提出的多维目标中，过程与方法是其中的一个重要纬度目标。巴甫洛夫也认为，认识一个科学家的方法远比认识他的成果价值要大。因此我们不仅要让学生掌握基本的物理概念和规律，了解物理学的知识体系，同时也要介绍物理方法，指导学生学运用正确的物理方法研究问题、分析问题、解决问题。

初中物理中用到的科学方法有许多，例如观察法、实验法、比较法、归纳法、分类法、类比法、等效法、转换法、控制变量法、模型法、推理法、比值定义法、多因式乘积法、放大法、积累法、图象法、图表法、猜想法等。下面我们介绍其中一些常见的研究方法。物理学中研究问题的科学方法控制变量法理想实验法模型研究法近似法转换法等效法图像法类比法比较法归纳法一、控制变量法

一个物理量可能要受到多个物理因素的影响和制约，那么在讨论这个物理量与其中某个因素的关系时，需要先控制其它的另几个因素不变，确定相关物理量之间的关系，这种方法叫控制变量法。书中实例:研究影响力的作用效果的因素研究滑动摩檫力与哪些因素有关

研究液体内部的压强

研究影响液体蒸发快慢的因素

研究物体吸热与物质种类、质量、温度的关系

研究影响电阻大小的因素

研究电流与电压、电阻的关系

研究电功或电热与哪些因素有关研究通电导体在磁场中的受力与哪些因素有关

研究影响感应电流的方向因素研究动能（或重力势能）与哪些因素有关

……研究滑动摩擦力大小跟哪些因素有关？F1=2N木板F2=3N木板F3=2.8N毛巾1研究压力的作用效果跟哪些因素有关?甲乙丙2研究动能的大小跟哪些因素有关?3研究电阻的大小跟哪些因素有关?A4研究电流跟电压、电阻的关系?VAR5研究电磁铁的磁性的强弱跟哪些因素有关6研究电流产生的热量跟哪些因素有关?＋－＋－7研究液体的压强跟深度的关系8ABCDEFGH例1：探究决定电阻大小的因素分析数据，得出结论：（1）导体的电阻跟导体的材料有关；（2）导体的材料、横截面积，都相同时，导体越长，电阻越大；（3）导体的材料、长度都相同时，导体的横截面积越小，电阻越大；（4）导体被加热后，它的温度升高，电流表示数变小，表明导体的电阻变大，这说明导体的电阻还跟温度有关，对大多数导体来说，温度越高电阻越大。研究液体蒸发的快慢跟哪些因素有关？下列问题的研究也是利用了控制变量法吗?研究电功的大小跟哪些因素有关?

例2：某校研究性学习小组在探究“液体蒸发的快慢与哪些因素有关”的过程中，根据生活经验提出了以下两种猜想：

猜想一：液体蒸发的快慢可能和物质的种类有关。

猜想二：液体蒸发的快慢和液体表面空气流动的快慢有关。

针对猜想一，同学们设计的实验及观察到的现象如下：

在玻璃板上，同时用酒精和水涂一个同样大的圆斑，观察发现酒精圆斑先干了。

请你认真思考下列问题，并回答：

（1）同学们通过实验得出的结论是：

（2）实验中“涂同样大的圆斑”其目的是：

（3）设计出研究猜想二的实验方案：

蒸发的快慢与液体种类有关

控制变量，使之在相同的条件下进行比较在两个表面积相同的同种液体条件下，比较不同空气流动快慢时的蒸发情况

二、推理法（理想实验法）有一些物理现象，由于受实验条件限制，无法直接验证，需要我们在通常的情况下进行实验，然后进行合理的推想，得出结论，达到认识事物本质的目的。这也是一种常用的科学方法——推理法。由于推理法是用通常情况下完成的实验代替了理想情况下才能完成的实验，所以推理法有时也叫理想实验法。初中物理教材中比较典型的例子是牛顿第一定律的得出。例1：人们常用推理的方法研究物理问题。在研究物体运动状态与力的关系时，伽利略通过如图甲所示的实验和对实验结果的推理得到如下结论：运动着的物体，如果不受外力作用，它的速度将保持不变，并且一直运动下去。小车在不同表面上的运动毛巾表面棉布表面木板表面abc例2.推理的方法同样用在“研究声音的传播”实验中。在如图乙的试验中，现有的实验设备总是很难将玻璃罩内抽成真空状态，在这种情况下，你是怎样通过实验现象推理得出“声音不能在真空中传播”这一结论的？【分析】在“研究声音的传播”实验中，实验现象是随着罩内空气的不断抽出，听到铃声越来越弱。但最后还是能听到声音，主要原因有：实验设备总是很难将玻璃罩内抽成真空状态，以及周围的固体还能传声。这时推理就显得很重要了，它能够突破实验条件的限制，抓住主要因素，忽略次要因素，得出结论。题目的示例，既给出了学生套用的格式，又降低了考题的难度。本实验可以推理：如果罩内被抽成真空，将不能听到铃声，由此可以推出“声音不能在真空中传播”的结论。三、模型研究法物理学中常常把实际的研究对象或实际的过程抽象成一定的“物理模型”注意：模型法有时也包含有类比法的思想，但它更突出的特点是力求将研究的对象抽象化、简单化。书中实例:研究肉眼观察不到的原子结构时建立原子核式结构模

研究连通器原理时用到液片模型研究光现象时用到光线模型研究磁现象时用到磁感线模型力的示意图或力的图示是实际物体和作用力的模型电路图是实物电路的模型……杠杆抽水机手柄缝纫机踏板杆秤瓶盖起子锅炉水位计过路涵洞自来水管三峡五级船闸连通器轮轴方向盘辘轳自行车车把扳手沿斜坡将货物推到高处盘山公路螺丝斜面磁场的特点磁感线光线四、近似法

有许多物理常数或物量，受其它因素的影响是变化的，但这种变化非常微小，为了研究问题方便，常常假定它为一定值来研究问题。例１：g在不同高度、纬度常常不同，但在地球附近，由于g的变化小，常取g=9.8N/kg．例２：计算灯泡在不同电压下的实际功率。在不同电压下，灯丝的温度不同，电阻也不同，但在计算的过程中认为电阻为一定值不变。例３：计算氢气球在升空的过程中所受的浮力，我们知道空气的密度是随高度的增加而减小的，而在计算时总是取1.２９千克每立方米，也是忽略了它的变化。五、转换法

物理学中对于一些看不见、摸不着的现象或不易直接测量的物理量，通常用一些非常直观的现象去认识，或用易测量的物理量间接测量，这种研究问题的方法叫转换法。初中物理在研究概念、规律和实验中多处应用了这种方法。书中实例:物体发生形变或运动状态改变可证明此物受到力的作用

马得堡半球实验可证明大气压的存在

影子的形成可证明光沿直线传播奥斯特实验可证明电流周围有磁场指南针指南北可证明地磁场的存在

扩散现象可证明分子做无规则运动铅块实验可证明分子间引力的存在运动的物体能对外做功可证明它具有能

……温度计的工作原理例：用下图所示的实验来研究流体压强与流速的关系时，对着两纸片中间吹气是为了

，你是通过观察

来判断纸片间压强大小变化的。这种研究问题的方法叫做

。

加快两纸片间空气的流速

两纸片相互靠近或远离转换法【分析】对着两纸片中间吹气是为了加快两纸片间空气的流速，我们是通过观察两纸片相互靠近或远离来判断纸片间压强大小变化的。由于气体压强我们看不见、摸不着，所以我们通过这种转换法的方式感知它的存在。

等效是指不同的物理现象、模型、过程等在物理意义、作用效果或物理规律方面是相同的。它们之间可以相互替代，而保证结论不变。等效的方法是指面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。六、等效法即从事物间的等同效果出发，通过联想把陌生的，困难的，复杂的用常规手段不易解决的问题转化为一个熟悉的，简单的问题的方法。书中实例:等效电路

等效电阻

分力与合力等效

……用排水法测量不规则小块固体的体积请观察：转换法:

电流大小灯泡亮度磁场小磁针偏转等效法:分力合力小石块体积排开水的体积;小结：“等效法”中相互替代的两个物理量种类通常相同，而“转换法”中的两个物理量只是有因果关系，其性质往往并不相同。放大法？累积法？电阻串联R1R2

R312RR=R1+R2+R3电阻并联R3R2R1++R电路的接法

34二力的合成Ｆ１Ｆ２ＦＦ-Ｆ２Ｆ１〖例〗如图所示，在桌面上竖立一块玻璃板，把一支点燃的蜡烛放在玻璃板前面，可以看到玻璃板面出现蜡烛的像。要想研究玻璃板成像特点，关键的问题是设法确定像的位置。仔细想想，实验时具体的做法是__________。我们这样确定像的位置，凭借的是视觉效果的相同，因而可以说是采用了_________的科学方法。

【分析】虚像是无法用光屏承接。答案：另外拿一只相同的蜡烛在玻璃板后面移动，直到看上去它跟像完全重合；等效替代。

七、图像法就是利用平面直角坐标系中的物理图像研究问题的方法。12345晶体熔化t/℃T/mint/℃t/℃t/℃T/minT/minT/min晶体凝固非晶体熔化非晶体凝固液体沸腾t/℃T/min八、类比法

类比在物理学中有着广泛的应用。所谓类比，实际上是一种从特殊到特殊或从一般到一般的推理。它是根据两个（或两类）对象之间在某些方面的相同或相似而推出它们在其他方面也可能相同或相似的一种逻辑思维。从而可以帮助我们理解较复杂的实验和较难的物理知识。书中实例:电压与水压电流与水流

内能与机械能

……原子结构与太阳系水压与电压水流与电流例：为了让同学们理解把几个电阻串联起来和并联起来对总电阻的影响，老师作了这样的一个“类比”：某学校的同学想从小河的南岸到北岸参加植树活动，他们利用若干块相同的木板搭成如图所示的三种桥梁，请大家想一想，要想让全校的学生安全地过河，按哪一种方法搭建的桥梁最方便快捷呢？而哪一种方法又是最不合理的呢？同学们肯定会很快地判断出：第三种方法是最方便快捷的，因为它的桥面最宽；而第二种方法是最不合理的，因为它不仅没有增加桥面的宽度，反而加长了桥面的长度！现在我们将上例中的每一块木板当成一个电阻，则第二种方法相当于将三个电阻

联，第三种方法相当于将三个电阻

联，于是同学们就很容易通过对比三种桥的效果得出这样的结论：把几个电阻串联起来，相当于增加了导体的

，所以总电阻

（填“变大”、“变小”、“不变”）；把几个电阻并联起来，相当于增加了导体的

，所以总电阻

（填“变大”、“变小”、“不变”）。请你也试着举一个这样的“类比”研究科学问题的例子：

。【分析】第二种方法相当于将三个电阻串联，第三种方法相当于将三个电阻并联。对比三种桥的效果可以得出这样的结论：把几个电阻串联起来，相当于增加了导体的长度，所以总电阻变大；把几个电阻并联起来，相当于增加了导体的横截面积，所以总电阻变小。这样的“类比”研究科学问题的例子除了上文提到的还有：波纹在水面的传播类比声波的形成；研究声波时，可以用弹簧做类比实验，将弹簧平放于桌面，来回运作，会形成密部和疏部；细水管喝水比粗吸管喝水时间要慢，就好比粗的导体中电阻比细导体的电阻小；大气的压强就好象无数的雨点打在伞上一样；

……

例题分析例1：电阻可能跟温度有关。请你用一个废灯泡的灯芯，设计一个实验来研究问题。要求：说出方法；画出电路图。＋－＋－A－0．6A九、比较法寻找两件事物的相同和不同之处，就需要用到比较法，可以进行比较的事物和物理量很多，对不同或有联系的两个对象进行比较，我们主要从中寻找它们的不同点和相同点，从而进一步揭示事物的本质属性。书中实例:质量与重力的比较压力与重力的比较串联与并联电路的比较电流表和电压表用法的比较串、并电路电压、电流、电阻的比较功率与效率的比较电与磁的比较……十、归纳法归纳法是通过样本信息来推断总体信息的技术。比如铜能导电，银能导电，锌能导电则归纳出