比较法在物理中的应用

比较法在物理中的应用

    物理学科与其它各门学科一样，都有一系列作为理论出发点的基本概念，和由推理形式导出的定律理论。物理学在自己的发展过程中要求物理思维要有严密的逻辑性，要符合逻辑规律。物理思维的方法很多，这里仅就其中最典型的，最常用的比较法来结合物理学的实际来讨论。
    一、 比较法
    “比较”是人们常用的思维方法，是找出事物之间的差异点和共同点的思维方法，通过事物间相同特征或相异特征的比较，提示事物的本质和区别。人们认识事物往往是从区别事物的本质特征开始的。而要区别就要有比较，有比较才有鉴别。事物之间在现象上和本质上都存在着同一性和差异性。现象上的同一和差异一般来说是容易识别的，而本质上的同一和差异就不那么容易识别。物理学中有许多物理思维和物理规律具有可比性，运用比较法可帮助学生接受新概念并加深对概念的理解，尤其在复习课上运用，能使知识融会贯通，开拓学生的思维，并培养学生的知识迁移能力。在物理教学中，既要求学生找出差异性极大的物理现象或物理概念之间本质上的共同点，又要求学生找出表面上极为相似的物理现象和物理概念之间本质上的差异，在物理教学中运用比较法常有以下几种情况。
    首先，是用“比较”引入新概念。有些物理概念间有许多相似之处，讲解一些概念之后，另一些概念可用比较法引入，使教学难度降低，并能把规律提示出来。例如：“动量”和“动能”这两个概念，它们都是用来描述机械运动的物理量，都是与物体质量和物体运动速度有关的物理量。这些是它们的共同点。然而，在本质上它们又有着质的差异，动量是以机械运动形式来量度机械运动的，动能是以机械运动转换为一定量的其它能量的能力来量度机械运动的。下面我们从物理学的角度来比较它们的差异。
    1．动能：Ek= mv2 标量；
    动量：P=MV    矢量；
    2．动能是机械能的一种形式；
       动量是机械运动量的量度；
    3．动能遵从动能定理：W=△EK，力的空间积累效应；
       动量遵从动量定理：I=△P，力的时间积累效应；
    4．动能守恒不一定动量守恒，比如：在光滑水平面上作匀速圆周运动的物体；
       动量守恒不一定动能守恒，比如：非弹性碰撞的系统。
    再例如势能，中学阶段学习了重力势能，弹性势能，分子势能和电势能。由于重力和弹力做功现象较常见，因此重力势能和弹性势能讲解比较容易，但分子势能和电势能较抽象，教学中可以在讲了重力势能以后，运用比较的方法将电势能引入；讲解了弹性势能后，将分子势能引入。这样讲解可达到事半功倍的效果。一一对应的比较使学生能较快的在原有重力势能概念的基础上把电势能的概念建立起来，并进一步指出这些共同之处还反映了存在于保守力场中所有势能的共同性质，即势能的共同特点。同时在比较相同之处还指出它们的不同，由于电荷有正负之分，所以电荷受力的方向可以与电场相同，也可以相反。即电荷沿电场方向运动时，电势能可能增加，也可能减少；而质点受重力方向总是竖直向下，因此，重力势力总是沿重力方向减小。
    其次，用“比较”可以深化概念。在上新课时，知识往往比较分散，复习课上教师要帮助学生通过比较，把一些有内在联系的知识串联起来，以深化概念。例如在讲解了“动量，冲量”和“功和能”后，可向学生提问：第二章中讲述了两组物理量，动量和动能、冲量和功。前一组都是描写物体“运动量”的大小，与质量及速度有关，是状态量。后一组冲量是描写力对时间的积累效应的过程量，功是描写力对位移积累效应的过程量。
    再次，用“比较”区分概念。有些相反性质的物理概念也可用比较法讲解，着重区分两个概念的相异之处，抓住事物个性加以区别，从而分清概念。在电磁学中应用左，右手定则往往会引起混淆。教师在评讲时要比较异同。着重突出应用条件上的差异，以免弄错。左右手定理有许多类同之处，在应用时分别伸开左右手掌，并拢四指，拇指与四指垂直；表示的物理也类同：磁感线穿过手心，四指指向表示电流方向，拇指表示受力运动的方向。用左手还是用右手判定，关键不在于求哪个量的方向，而在于条件。即导线中电流与导线运动方向的因果关系，若是由于导线中有了电流在磁场中受力运动，那么不论是求磁场方向，电流方向还是导线受力运动方向，都应用左手定则。若是由于导线切割磁感线运动而产生电流，则不论求磁场方向，电流方向还是导线运动方向，都应用右手定则。差异就在于因果关系。抓住关键就能正确运用。
    另外，将物理概念与生活知识相比较。有些物理概念看似深奥难懂，若将其与一些生活常识相比较，则能起到化难为易的较果。如在讲解电场强度定义时，检验电荷放入电场中，与某一点受力来说是定律，并可定义为电场强度，它是电场的属性，与是否放入电荷及电荷的电量大小无关，对这一点，学生不容易理解。这里不妨举一例：把这一定义与铅笔单价相比。购买铅笔的单价不变，而且单价与购买的支数无关，与是否购买也无关，这是铅笔本身价值的反映。这是常识所能理解的。将电荷电量与支数相比，受力与付款相比。电量越大受力越大，但二者之比不变，它是电场属性。放入电荷只是让其表现出来而已。
    总之，通过这样的比较和思索，学生豁然开朗，较快的接受了新概念。可见运用“比较法教学”对解决教学难点是很有益处的。
    比较法教学对于学生的概念学习有所帮助，比较实验可以加强直观教学，有助于学生建立概念，理解规律，突破难点，因此对比实验在物理教学中被广泛应用，在教学中，如何运用好对比实验是物理学者值得研究的问题。
    首先，运用对比实验引入新课，激发学生的学习兴趣。教师从启发性对比实验开始引入新课，不但能激发学生强烈的求知欲，引起学生浓厚的学习兴趣，而且有利于向学生显示新课题的目的性。例如， 
    在讲解“短路”概念时，可利用图一所示的对比实验。先断开K2，闭合K1，使学生看到L正常发光，电流表发生偏转。然后再闭合K2，比较两次实验的结果。自然引出“短路”的概念。这样，即使没有进行公式的推导，学生也不会感到抽象，为学生准确的掌握“短路”概念打下基础。
    其次，用比较的方法可以放大感知的微观变化，提高实验的可见度。有些物理现象观察起来不明显，尤其是在演示实验时，很难使全体学生都看到实验现象，这时运用对比实验对微量变化进行“放大”，往往可以大大提高实验的可见度，也能大大提高实验的可信度。例如，为了证明大气压的存在，可在一只塑料杯子里盛满水，用纸片把杯口盖严，用右手手指按住小圆孔，在杯口向上时的塑料杯里盛满水，用纸片把杯口盖严，左手按住纸片把杯子倒过来使杯口向下，放开左手后，纸片不会掉下来，杯子里的水也不会流出来（如图二）。这时，学生可能认为“纸片是被粘住了”，然后老师掉按住小圆孔的右手指，结果纸片掉下来了，水也流出来了。这样通过手指按住小圆孔和不按住小圆孔两次实验的对比，使学生观察到两次实验中纸片都与水接触，所不同的是后一次实验是杯底与大气相通。从而解除了“纸片是被粘住了”的误解。提高了“大气压存在”这个结论的可信度。再如，演示双金属片的实验时，在对双金属片的一面加热以后，要把双金属片翻转过来，再对另一面加热。若只对其中一面加热，如果金属片向下弯曲，学生可能认为这是下面的金属片受热多，膨胀大引起的，若正反两面各烧一次，结果都向铁片的一面弯曲，这样通过两次实验的对比，有力的说明了双金属片的弯曲是由于铜片膨胀较大。
    另外，运用“同时比较”的实验，可以提高课堂效益。例如，在研究单摆振动的周期时，教材介绍了三“差时比较”的对比实验。这些实验虽然使学生反复练习了振动周期的测定，但每次测出至少要3到4分钟，共需20多分钟。这样，单摆这节就不可能用一个课时完成。若运用下列三对“同时比较”的对比实验问题就迎刃而解了。
    1、取两个摆长相同、摆球相同的单摆，同时在不同的偏角下（偏角小于5º）摆动，可看到两个单摆是同步进行的。如图三（a）。
    2、取两个摆长相同、质量不等的单摆，同时在相同的偏角下（偏角小于5º）摆动，可看到两单摆是同步进行的，如图三（b）。
    3、取两个摆长不同的单摆。同时开始摆动，可以看到摆长短的单摆摆动快而且周期小。如图三（c）。
    通过改进无需做6次实验，只需做3次就可以了。且每次实验无需测出单摆的周期，这样不需10分钟就可以得出结论。因此用“同时比较”实验，大大提高了课堂效益，且现象直观，可比性强。
    最后，可以通过比较来验证理论推理，做好新旧知识的衔接，促进知识的正迁移。例如：把两只标有220V、40W和220V、100W字样的白炽电灯分别进行并联或串联后，接入220V的电路中，判断这两种情况哪个灯泡较亮？根据平时的经验都是100W的灯泡较亮一些，即使老师通过分析和讨论得出串联时40W较亮，并联时100W的较亮。但仍有一部分同学对分析感到不可靠，但如果我们通过可控实验来进行对比，学生就会信服了。
    同样，利用比较也可以防止知识的负迁移。例如：高一学生在学习力的分解时，由于受到初中物理“动滑轮的拉力是重物和滑轮总重的一半”的影响，他们会认为：“向上的两个拉力之和一定等于向下的总重”。为了解决这个问题，可利用如图四所示的对比实验，第一次将线沿竖直方向挂（如图甲），此时两弹簧秤所示的拉力之和等于总重，第二次拉开一定角度（如图乙），此时两弹簧秤所示的拉力之和远大于总重。通过对比实验，使学生懂得了结论的适用条件，有效的防止了知识的负迁移。
    总之，在物理教学中适时的运用“比较”法，对教学难点的突破和对教学重点的突出，有非常重要的作用，能使一些不容易直接从理论上理解的问题变得简单而直观。