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比較法在物理中的應(yīng)用
比較法在物理中的應(yīng)用
物理學(xué)科與其它各門學(xué)科一樣，都有一系列作為理論出發(fā)點的基本概念，和由推理形式導(dǎo)出的定律理論。物理學(xué)在自己的發(fā)展過程中要求物理思維要有嚴密的邏輯性，要符合邏輯規(guī)律。物理思維的方法很多，這里僅就其中最典型的，最常用的比較法來結(jié)合物理學(xué)的實際來討論。
一、 比較法
“比較”是人們常用的思維方法，是找出事物之間的差異點和共同點的思維方法，通過事物間相同特征或相異特征的比較，提示事物的本質(zhì)和區(qū)別。人們認識事物往往是從區(qū)別事物的本質(zhì)特征開始的。而要區(qū)別就要有比較，有比較才有鑒別。事物之間在現(xiàn)象上和本質(zhì)上都存在著同一性和差異性。現(xiàn)象上的同一和差異一般來說是容易識別的，而本質(zhì)上的同一和差異就不那么容易識別。物理學(xué)中有許多物理思維和物理規(guī)律具有可比性，運用比較法可幫助學(xué)生接受新概念并加深對概念的理解，尤其在復(fù)習(xí)課上運用，能使知識融會貫通，開拓學(xué)生的思維，并培養(yǎng)學(xué)生的知識遷移能力。在物理教學(xué)中，既要求學(xué)生找出差異性極大的物理現(xiàn)象或物理概念之間本質(zhì)上的共同點，又要求學(xué)生找出表面上極為相似的物理現(xiàn)象和物理概念之間本質(zhì)上的差異，在物理教學(xué)中運用比較法常有以下幾種情況。
首先，是用“比較”引入新概念。有些物理概念間有許多相似之處，講解一些概念之后，另一些概念可用比較法引入，使教學(xué)難度降低，并能把規(guī)律提示出來。例如：“動量”和“動能”這兩個概念，它們都是用來描述機械運動的物理量，都是與物體質(zhì)量和物體運動速度有關(guān)的物理量。這些是它們的共同點。然而，在本質(zhì)上它們又有著質(zhì)的差異，動量是以機械運動形式來量度機械運動的，動能是以機械運動轉(zhuǎn)換為一定量的其它能量的能力來量度機械運動的。下面我們從物理學(xué)的角度來比較它們的差異。
1．動能：Ek= mv2 標量；
動量：P=MV 矢量；
2．動能是機械能的一種形式；
動量是機械運動量的量度；
3．動能遵從動能定理：W=△EK，力的空間積累效應(yīng)；
動量遵從動量定理：I=△P，力的時間積累效應(yīng)；
4．動能守恒不一定動量守恒，比如：在光滑水平面上作勻速圓周運動的物體；
動量守恒不一定動能守恒，比如：非彈性碰撞的系統(tǒng)。
再例如勢能，中學(xué)階段學(xué)習(xí)了重力勢能，彈性勢能，分子勢能和電勢能。由于重力和彈力做功現(xiàn)象較常見，因此重力勢能和彈性勢能講解比較容易，但分子勢能和電勢能較抽象，教學(xué)中可以在講了重力勢能以后，運用比較的方法將電勢能引入；講解了彈性勢能后，將分子勢能引入。這樣講解可達到事半功倍的效果。一一對應(yīng)的比較使學(xué)生能較快的在原有重力勢能概念的基礎(chǔ)上把電勢能的概念建立起來，并進一步指出這些共同之處還反映了存在于保守力場中所有勢能的共同性質(zhì)，即勢能的共同特點。同時在比較相同之處還指出它們的不同，由于電荷有正負之分，所以電荷受力的方向可以與電場相同，也可以相反。即電荷沿電場方向運動時，電勢能可能增加，也可能減少；而質(zhì)點受重力方向總是豎直向下，因此，重力勢力總是沿重力方向減小。
其次，用“比較”可以深化概念。在上新課時，知識往往比較分散，復(fù)習(xí)課上教師要幫助學(xué)生通過比較，把一些有內(nèi)在聯(lián)系的知識串聯(lián)起來，以深化概念。例如在講解了“動量，沖量”和“功和能”后，可向?qū)W生提問：第二章中講述了兩組物理量，動量和動能、沖量和功。前一組都是描寫物體“運動量”的大小，與質(zhì)量及速度有關(guān)，是狀態(tài)量。后一組沖量是描寫力對時間的積累效應(yīng)的過程量，功是描寫力對位移積累效應(yīng)的過程量。
再次，用“比較”區(qū)分概念。有些相反性質(zhì)的物理概念也可用比較法講解，著重區(qū)分兩個概念的相異之處，抓住事物個性加以區(qū)別，從而分清概念。在電磁學(xué)中應(yīng)用左，右手定則往往會引起混淆。教師在評講時要比較異同。著重突出應(yīng)用條件上的差異，以免弄錯。左右手定理有許多類同之處，在應(yīng)用時分別伸開左右手掌，并攏四指，拇指與四指垂直；表示的物理也類同：磁感線穿過手心，四指指向表示電流方向，拇指表示受力運動的方向。用左手還是用右手判定，關(guān)鍵不在于求哪個量的方向，而在于條件。即導(dǎo)線中電流與導(dǎo)線運動方向的因果關(guān)系，若是由于導(dǎo)線中有了電流在磁場中受力運動，那么不論是求磁場方向，電流方向還是導(dǎo)線受力運動方向，都應(yīng)用左手定則。若是由于導(dǎo)線切割磁感線運動而產(chǎn)生電流，則不論求磁場方向，電流方向還是導(dǎo)線運動方向，都應(yīng)用右手定則。差異就在于因果關(guān)系。抓住關(guān)鍵就能正確運用。
另外，將物理概念與生活知識相比較。有些物理概念看似深奧難懂，若將其與一些生活常識相比較，則能起到化難為易的較果。如在講解電場強度定義時，檢驗電荷放入電場中，與某一點受力來說是定律，并可定義為電場強度，它是電場的屬性，與是否放入電荷及電荷的電量大小無關(guān)，對這一點，學(xué)生不容易理解。這里不妨舉一例：把這一定義與鉛筆單價相比。購買鉛筆的單價不變，而且單價與購買的支數(shù)無關(guān)，與是否購買也無關(guān)，這是鉛筆本身價值的反映。這是常識所能理解的。將電荷電量與支數(shù)相比，受力與付款相比。電量越大受力越大，但二者之比不變，它是電場屬性。放入電荷只是讓其表現(xiàn)出來而已。
總之，通過這樣的比較和思索，學(xué)生豁然開朗，較快的接受了新概念。可見運用“比較法教學(xué)”對解決教學(xué)難點是很有益處的。
比較法教學(xué)對于學(xué)生的概念學(xué)習(xí)有所幫助，比較實驗可以加強直觀教學(xué)，有助于學(xué)生建立概念，理解規(guī)律，突破難點，因此對比實驗在物理教學(xué)中被廣泛應(yīng)用，在教學(xué)中，如何運用好對比實驗是物理學(xué)者值得研究的問題。
首先，運用對比實驗引入新課，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師從啟發(fā)性對比實驗開始引入新課，不但能激發(fā)學(xué)生強烈的求知欲，引起學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，而且有利于向?qū)W生顯示新課題的目的性。例如，
在講解“短路”概念時，可利用圖一所示的對比實驗。先斷開K2，閉合K1，使學(xué)生看到L正常發(fā)光，電流表發(fā)生偏轉(zhuǎn)。然后再閉合K2，比較兩次實驗的結(jié)果。自然引出“短路”的概念。這樣，即使沒有進行公式的推導(dǎo)，學(xué)生也不會感到抽象，為學(xué)生準確的掌握“短路”概念打下基礎(chǔ)。
其次，用比較的方法可以放大感知的微觀變化，提高實驗的可見度。有些物理現(xiàn)象觀察起來不明顯，尤其是在演示實驗時，很難使全體學(xué)生都看到實驗現(xiàn)象，這時運用對比實驗對微量變化進行“放大”，往往可以大大提高實驗的可見度，也能大大提高實驗的可信度。例如，為了證明大氣壓的存在，可在一只塑料杯子里盛滿水，用紙片把杯口蓋嚴，用右手手指按住小圓孔，在杯口向上時的塑料杯里盛滿水，用紙片把杯口蓋嚴，左手按住紙片把杯子倒過來使杯口向下，放開左手后，紙片不會掉下來，杯子里的水也不會流出來（如圖二）。這時，學(xué)生可能認為“紙片是被粘住了”，然后老師掉按住小圓孔的右手指，結(jié)果紙片掉下來了，水也流出來了。這樣通過手指按住小圓孔和不按住小圓孔兩次實驗的對比，使學(xué)生觀察到兩次實驗中紙片都與水接觸，所不同的是后一次實驗是杯底與大氣相通。從而解除了“紙片是被粘住了”的誤解。提高了“大氣壓存在”這個結(jié)論的可信度。再如，演示雙金屬片的實驗時，在對雙金屬片的一面加熱以后，要把雙金屬片翻轉(zhuǎn)過來，再對另一面加熱。若只對其中一面加熱，如果金屬片向下彎曲，學(xué)生可能認為這是下面的金屬片受熱多，膨脹大引起的，若正反兩面各燒一次，結(jié)果都向鐵片的一面彎曲，這樣通過兩次實驗的對比，有力的說明了雙金屬片的彎曲是由于銅片膨脹較大。
另外，運用“同時比較”的實驗，可以提高課堂效益。例如，在研究單擺振動的周期時，教材介紹了三“差時比較”的對比實驗。這些實驗雖然使學(xué)生反復(fù)練習(xí)了振動周期的測定，但每次測出至少要3到4分鐘，共需20多分鐘。這樣，單擺這節(jié)就不可能用一個課時完成。若運用下列三對“同時比較”的對比實驗問題就迎刃而解了。
1、取兩個擺長相同、擺球相同的單擺，同時在不同的偏角下（偏角小于5º）擺動，可看到兩個單擺是同步進行的。如圖三（a）。
2、取兩個擺長相同、質(zhì)量不等的單擺，同時在相同的偏角下（偏角小于5º）擺動，可看到兩單擺是同步進行的，如圖三（b）。
3、取兩個擺長不同的單擺。同時開始擺動，可以看到擺長短的單擺擺動快而且周期小。如圖三（c）。
通過改進無需做6次實驗，只需做3次就可以了。且每次實驗無需測出單擺的周期，這樣不需10分鐘就可以得出結(jié)論。因此用“同時比較”實驗，大大提高了課堂效益，且現(xiàn)象直觀，可比性強。
最后，可以通過比較來驗證理論推理，做好新舊知識的銜接，促進知識的正遷移。例如：把兩只標有220V、40W和220V、100W字樣的白熾電燈分別進行并聯(lián)或串聯(lián)后，接入220V的電路中，判斷這兩種情況哪個燈泡較亮？根據(jù)平時的經(jīng)驗都是100W的燈泡較亮一些，即使老師通過分析和討論得出串聯(lián)時40W較亮，并聯(lián)時100W的較亮。但仍有一部分同學(xué)對分析感到不可靠，但如果我們通過可控實驗來進行對比，學(xué)生就會信服了。
同樣，利用比較也可以防止知識的負遷移。例如：高一學(xué)生在學(xué)習(xí)力的分解時，由于受到初中物理“動滑輪的拉力是重物和滑輪總重的一半”的影響，他們會認為：“向上的兩個拉力之和一定等于向下的總重”。為了解決這個問題，可利用如圖四所示的對比實驗，第一次將線沿豎直方向掛（如圖甲），此時兩彈簧秤所示的拉力之和等于總重，第二次拉開一定角度（如圖乙），此時兩彈簧秤所示的拉力之和遠大于總重。通過對比實驗，使學(xué)生懂得了結(jié)論的適用條件，有效的防止了知識的負遷移。
總之，在物理教學(xué)中適時的運用“比較”法，對教學(xué)難點的突破和對教學(xué)重點的突出，有非常重要的作用，能使一些不容易直接從理論上理解的問題變得簡單而直觀。
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