高中物理 物理九大思想方法教學參考素材

1、物理九大思想方法 觀察人們通過感官或借助儀器，有計劃、有目的的地對客觀事物進行系統(tǒng)考察和描述，這就是觀察的方法。觀察是人認識自然的最基本的方法，是獲得感知、為建立科學理論提供原始資料的重要途徑和手段。說明：（1）有明確的研究對象和觀察目的。如英國物理學家，法拉第花了整整10年時間尋找轉(zhuǎn)磁為電，終于觀察到了當把磁鐵插入繞有線圈的空心紙筒時，和線圈連接的電流計指針發(fā)生了擺動，由此發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)。（2）綜合運用感官，并借助科學儀器考察研究對象。例如觀察回音-聲波的反射及其產(chǎn)生的條件，要憑聽覺和視覺-觀察鐘表顯示的時間差或測量聲源和反射物的距離。利用超聲波進行水下目標探測時需借助儀器-聲吶，且憑聽覺同

2、時觀察熒屏上顯示的回波信號來確定水下目標的位置。（3）力求全面地把握研究對象的各種屬性，并以科學理論判斷和理解觀察結(jié)果。例如英國植物學家布朗在顯微鏡下觀察到懸浮在水中的花粉粒子和無生命的煙煤粒子的不規(guī)則運動，但未能正確地解釋其原因。人們在重復(fù)的觀察中還發(fā)現(xiàn)粒子越小、溫度越高，粒子不規(guī)則運動的程度越明顯。隨著分子運動論的發(fā)展，人們才認識到粒子的不規(guī)則運動是它們受到來自各個方向的液體分子的碰撞不平衡所引起的。（4）系統(tǒng)地、全面地、如實地考察自然事物，準確而周密地記錄事實，并加以統(tǒng)計和概括，為揭露事物和自然現(xiàn)象的本質(zhì)及其規(guī)律提供科學的依據(jù)。例如德國的天文學家開普勒在丹麥天文學家第谷積累30多年的高度

3、精確的大量天體觀測資料的基礎(chǔ)上，對火星軌道進行周密計算與觀測，摒棄了哥白尼提出的行星圓軌道運行的假定，提出了行星沿橢圓軌道繞太陽運行等著名的行星三大定律。測量從量的方面對事物進行考察的一種研究方法，是量的觀察。其目的在于深刻地、精確地把握事物質(zhì)的特征及其數(shù)量的關(guān)系。物理學中要研究事物的規(guī)律性，就需要對各物理量，如長度、質(zhì)量、時間、溫度、電流強度、發(fā)光強度，進行考察和測量。說明： （1）要有一個統(tǒng)一的標準。1971年第14屆國際計量大會在1960年通過的國際單位制（SI）的基礎(chǔ)上，決定用7個基本單位：長度單位米，質(zhì)量單位千克，時間單位秒，熱力學溫度單位開爾文，電流強度單位安培，物質(zhì)的量單位摩爾和

4、發(fā)光強度單位坎德拉。有了這些基本單位就可以得出所有的導(dǎo)出單位?；締挝缓蛯?dǎo)出單位就是進行科學測量的標準。 （2）必須建立在研究對象有比較深刻認識的基礎(chǔ)之上。因為要進行量的觀察，首先應(yīng)明確表明研究對象的特征和屬性，然后考慮盡可能提高測量精度的測量手段（儀器、裝置）。例如要研究從斜面上加速下滑下的物體的運動是否屬勻變速直線運動，首先應(yīng)知道勻變速直線運動的特征是加速度恒定，做勻變速直線運動的物體在相鄰的相等時間內(nèi)的位移差是一定值。在中學物理實驗中利用打點計時器記錄數(shù)據(jù)，用毫米刻度尺測量各段相等時間內(nèi)的位移，然后求出在相鄰的相等時間內(nèi)的位移差。根據(jù)位移差是否是定值，來判斷物體的運動是否屬勻變速運動直線

5、。在這個實驗中，長度的精確測量是至關(guān)重要的。推理由已知一個或幾個判斷為前提，得出作為結(jié)論的新的判斷的思維過程就是推理。在推理過程中，已知的判斷叫前提，推出新的結(jié)論叫推論，把真實的前提和推論之間的必然聯(lián)系叫做推理依據(jù)。一切推理都是由前提、推論和推理根據(jù)3部分組成的。說明：（1）推理按前提的數(shù)量來區(qū)分，有直接推理和間接推理兩種。只有一個前提的推理是直接推理。例如帶電導(dǎo)體在達到靜電平衡時，即電荷無宏觀移動時，可以直接得出兩個推論：導(dǎo)體是一等電勢體，導(dǎo)體表面是一等電勢面；導(dǎo)體表面附近電場中的電場線（電力線）必和導(dǎo)體表面垂直。有兩個或兩個以上的前提的推理是間接推理。例如金屬能導(dǎo)電，銅是金屬，所以銅能夠?qū)?/p>

6、電。（2）根據(jù)推理的思維進程的方向不同，又有歸納推理、演繹推理和類比推理等幾種。歸納推理是根據(jù)對某種事物中的個別現(xiàn)象的考察，所作出的關(guān)于該類事物的一般規(guī)律性的結(jié)論的新知的推理。歸納推理是一種擴大知識的方法。例如牛頓根據(jù)開普勒的行星運動定律，把天體間的力和地球使月球沿軌道運動的力及使地面附近物體墜落的力聯(lián)系起來，歸納得出萬有引力定律。 演澤推理是根據(jù)已知的一般原理，推知某個從屬于該類事物的特殊事物的情況的新知推理。演澤推理是一種必然性的推理。例如已知帶電粒子在電場作用下能作定向運動，可以推知金屬內(nèi)部自由電子在電場力作用下能作定向運動，所以金屬能導(dǎo)電；電解質(zhì)溶液和電離了的氣體中存在離子，所以，它們

7、在電場作用下也能導(dǎo)電。歸納推理是從個別到一般，因為個別之中包含著一般，所以通過個別可以認識一般。演澤推理是從一般到個別，因為一般存在于個別之中，某類事物共有的屬性，其中每一個別事物必然都具有，所以，從一般必然能推知個別。歸納和演澤這兩種推理形式是從們對客觀現(xiàn)實的兩種對立的認識方法的總結(jié)，它們既是對立的，又是統(tǒng)一的，缺少任何一個方面都不能認識真理。類比推理是根據(jù)兩個對象（或事物）具有一系列相同的屬性一，而且已知其中一個對象（或事物）還具有其他的屬性，由此推出另一個對象（或事物）也具有同樣的其他屬性。例如科學家利用光譜分析首先確認在太陽大氣中存在氦。由于太陽上的其他元素，如氫、氧、氮、硫、磷、鉀，

8、地球上都有，于是就類推地球上也可能存在氦，后來果然在地球上找到了氦元素。但類比推理的結(jié)論是或然的，因為推理的根據(jù)并不充分。例如火星和地球相比較，發(fā)現(xiàn)它們有許多屬性是相同的，地球上有生命，于是就推測火星上出可能有生命。但迄今為止，包括利用降落在火星上的探測器在火星表面上所進行的生物化學實驗結(jié)果來看，并沒有發(fā)現(xiàn)火星上有生命存在的跡象。這表明類比推理的結(jié)論，有待于進一步的實驗驗證。類比根據(jù)兩個研究對象在某些屬性或特征上的相似或相同，從而推斷出這兩個研究對象在其他屬性或特征上也可能相類似的研究方法。自然界中的事物和現(xiàn)象盡管是千差萬別的，但在一些事物或現(xiàn)象之間，往往具有某些相類似的屬性或特征。采用類比方

9、法，就可用已經(jīng)認識了的事物和現(xiàn)象為人們研究還沒有認識的并且與之相類似的事物和現(xiàn)象提供類似的說明。例如，法國物理學家?guī)靵鲈诶门しQ裝置作了測定兩個帶電球體之間的相互作用力的大量實驗基礎(chǔ)上，采用與萬有引力定律類比的方法，提出了兩個點電荷之間的作用力跟電量成正比、跟它們之間的距離的平方成反比的假設(shè)。事實上當時還沒有確定電荷數(shù)量的單位，且受儀器測量精度的限制，庫侖提出這一假設(shè)純粹是采用了類比法，當然，后來被理論和進一步的實驗所證實。又如法國物理學家德布羅意在光的波粒二象性的啟示下，采用類比法提出一切微觀粒子都具有波粒二象性的假設(shè)，并從理論上建立了粒子與波動的聯(lián)系。這一假設(shè)后來為電子射線通過晶體時與用倫

10、琴射線通過同一晶體時一樣能產(chǎn)生完全相似的衍射圖樣而得到證實。以后的許多實驗中還發(fā)現(xiàn)，不僅電子具有波動性，其他微觀粒子，如質(zhì)子、中子、中性原子、分子也同樣具有波動性。假說以客觀事實和科學原理為基礎(chǔ)的對于各種未知事實（包括現(xiàn)象間的規(guī)律性聯(lián)系、事物的存在或產(chǎn)生原因、未來事件的出現(xiàn)等）的猜測，這就是科學的假說。它是科學研究工作者最重要的思維方法。說明：（1）假說具有推測的性質(zhì)。例如關(guān)于太陽系起源的各種假說，其中最有影響的是德國哲學家康德提出的“原始星云說”。（2）假說的基礎(chǔ)是客觀事實和科學原理。近20年來，科學家們根據(jù)30年代觀察到的遙遠星系所發(fā)出的光的紅移現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹和冷卻等事實，認為星云不

11、是“原始”就有的，而是經(jīng)過一次“大爆炸”后才逐步形成的，提出了關(guān)于宇宙起源的新的假說。又如分子運動論是人們在對擴散現(xiàn)象、布朗運動等大量客觀事實觀察的基礎(chǔ)上提出的關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種假說。（3）假說是人們的認識接近客觀直理的方法。例如關(guān)于光的本性的認識，歷史上許多科學家曾經(jīng)先后提出了對立的不同假說。牛頓對光的反射、折射、色散等現(xiàn)象進行了大量的研究，認為光是由發(fā)光體射出的微粒所組成，后人稱為“光的微粒說”，但“微粒說”無法解釋光的衍射和干涉現(xiàn)象。惠更斯在長達15年的時間里，研究了光的反射、折射、衍射等現(xiàn)象，認為光和聲現(xiàn)象相似，是在一種特殊彈性物質(zhì)（以太）中傳播的彈性機械波動，他所建立的“惠更斯原理”

12、是“光的波動說”的核心。麥克斯韋在研究電磁場理論的基礎(chǔ)上推算出電磁波的傳播速度恰等于光速，由此推斷光也是一種電磁波。愛因斯坦在研究光電效應(yīng)時，把普朗克提出的輻射能量不連續(xù)量子化概念推廣到輻射的傳播過程中，提出光量子假說，認為光輻射也是以一束一束能量形式存在的。運用光量子假說，成功地解釋了光電效應(yīng)。光的“微粒說”、“波動說”、“電磁說”和“光子說”的先后提出，反映了人們從不同側(cè)面對光的本性認識的逐步深入，而且新提出的假說總比原先的假說更接近事實本身。從光既具有粒子性又具有波動性的事實，人們逐漸認識到光具有波粒二象性。實驗為了能夠仔細觀察研究某一現(xiàn)象（或過程）發(fā)生的原因、特點、量的決定因素和規(guī)律，

13、盡可能排除外界各種干擾的影響，突出主要因素，在一定條件下使這一現(xiàn)象（或過程）重演。這就是科學實驗的方法。說明：（1）實驗是建立理論的基礎(chǔ)，也是檢驗理論的標準。（2）在科學技術(shù)領(lǐng)域中，根據(jù)不同的研究目的，一般有以下幾種類型的實驗：決斷性實驗：判定某種因素是否存在，某些因素間有無聯(lián)系，決定某些假定或設(shè)想的取舍等的實驗。模擬實驗：限于時空條件或觀察條件無法直接進行的實驗，用人為方法創(chuàng)設(shè)一定條件模擬實際發(fā)生的現(xiàn)象的實驗。對照實驗：研究不同的條件與環(huán)境對事物的發(fā)展與變化造成的差異的實驗。析因?qū)嶒灒禾剿饔绊懩骋滑F(xiàn)象的發(fā)生和變化過程的主要原因的實驗。在中學物理教學中，根據(jù)不同的教學目的和要求，一般有以下幾種

14、類型的實驗：探索性實驗：研究某些物理規(guī)律的實驗。例如研究杠桿平衡條件、研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實驗。這類實驗安排在有關(guān)知識的教學之前進行，或可作為教學并進實驗。其目的是讓學生通過實驗觀察，對尚未學過的知識有一感性認識，并可歸納得出初步結(jié)論，為進一步學習有關(guān)規(guī)律打下基礎(chǔ)。同時，探索性實驗具有讓學生“發(fā)現(xiàn)”規(guī)律、激發(fā)學習興趣、培養(yǎng)求實精神與科學方法的功能。驗證性實驗：驗證某些物理定律的實驗。例如驗證牛頓第二運動定律、驗證玻意耳定律的實驗。這類實驗安排在學習過有關(guān)知識之后進行，要求學生定量分析實驗數(shù)據(jù)，從中得出結(jié)論，并與所驗證的定律作比較，以達到驗證目的。如果實驗結(jié)論與物理定律有偏離，還應(yīng)分析產(chǎn)生誤差的主

15、要原因?；居?xùn)練性實驗：熟悉某些基本測量儀器的操作與使用的實驗。這類實驗的目的是訓(xùn)練實驗操作技能。在初中有長度、質(zhì)量、時間、溫度、電流（強度）等基本物理量的測量以及串、并聯(lián)電路的連接等基本操作的實驗，這些實驗涉及刻度尺、天平、停表、溫度計、電流表等儀器的使用。在高中則有游標卡尺、打點計時器、多用表、示波器等儀器的使用。進行這類實驗時，應(yīng)嚴格強調(diào)各種儀器的操作規(guī)范，務(wù)必使學生學會正確操作和使用，面對儀器的工作原理則不需詳細闡述。測定物理常數(shù)和物理量的實驗：為測定某一物理常數(shù)或物理量而進行的實驗。這類實驗的目的是讓學生運用已經(jīng)學生的知識和熟悉的器材，測定某些物理常數(shù)和物理量。例如測定物質(zhì)的密度、不

16、，測定重力加速度、測定介質(zhì)的折射率的實驗。這類實驗要求學生理解實驗所依據(jù)的原理，明確實驗的條件、步驟和過程。由于受器材和實驗條件的限制，對所測定的量的準確程度一般不作過高要求。設(shè)計性實驗：根據(jù)目的要求自行設(shè)計的實驗。這類實驗對學生實驗?zāi)芰Φ囊筝^高，教學大綱中對此一般不作具體規(guī)定。這類實驗可在高年級總復(fù)習階段適當開設(shè)。例如初中，在學生理解串、并聯(lián)電路的特點，并熟悉電流表和電壓表使用的基礎(chǔ)上，可以讓學生設(shè)計只用電表和一個已知電阻來測量另一個未知電阻的實驗；在高中，可以讓學生設(shè)計驗證反沖運動中的動量守恒等實驗。數(shù)學方法在科學研究中針對研究對象不同的特點，運用數(shù)學概念、方法和技巧，對研究對象進行量的

17、分析、描述、計算和推導(dǎo)，從而找出能以數(shù)學形式表達事物的量的規(guī)律性的方法。16世紀以后，物理學逐漸發(fā)展成為一門成熟的自然科學，它不僅用實驗方法代替了以往整體的觀察法，而且引進了數(shù)學方法。例如伽利略的自由落體定律、開普勒的行星運動三定律、牛頓運動定律和萬有引力定律等，近代物理學研究由宏觀領(lǐng)域深入到微觀領(lǐng)域，根據(jù)在科學實驗中所發(fā)現(xiàn)的新事實建立了許多與經(jīng)典理論完全不同的新理論，而這些理論的建立都是在數(shù)學方法的幫助下完成的，例如麥克斯韋建立的電磁理論，并運用數(shù)學的方法推導(dǎo)，預(yù)言了電磁波的存在；物理學研究進入微觀高速領(lǐng)域之后，所產(chǎn)生的相對論和量子力學，都是采用數(shù)學方法作為表達形式。物理學的發(fā)展是和數(shù)學方法

18、的運用分不開的。說明：（1）數(shù)學方法為科學研究提供簡明精確的形式化語言。運用數(shù)學方法研究事物規(guī)律，對量與量之間的關(guān)系、量的變化以及在量之間進行分析、比較、推導(dǎo)和運算時，都是以符號形式（包括圖象、圖表）表示的，也就是運用一套形式化的語言。這種簡潔、明確、嚴密的數(shù)學語言已日益透到各門科學中去，成為表達科學概念和科學理論的重要形式和手段。用簡明的數(shù)學公式、數(shù)學符號系統(tǒng)、形式化的語言表達自然規(guī)律以及規(guī)律和復(fù)雜現(xiàn)象的聯(lián)系，才能在科學研究中進行定量描述和理論概括，反映自然規(guī)律的普遍性。（2）數(shù)學方法為科學研究提供數(shù)量分析和計算方法。運用數(shù)學方法可以通過認識事物的量來認識物質(zhì)的規(guī)定性。例如開普勒根據(jù)第谷積累

19、的大量關(guān)于行星運動的觀測資料，應(yīng)用圓錐曲線理論，經(jīng)過大量演算，建立了行星繞日變速運動的橢圓軌道模型，終于發(fā)現(xiàn)了行星到太陽的距離R跟行星繞日運行的周期T間的關(guān)系R3/T2K（恒量）。（3）數(shù)學方法為科學研究提供邏輯推理的工具。在科學研究中，數(shù)學方法是一種有效的進行推理和邏輯證明的工具，是建立科學理論體系的一個有效手段，且具有預(yù)見性。例如法國天文學家勒威耶根據(jù)天王星的運動軌道，與根據(jù)萬有引力定律計算出來的結(jié)果總有比較大的偏離，便應(yīng)用天體力學理論結(jié)合數(shù)學的分析和計算，預(yù)測天王星軌道外面存在一顆未被發(fā)現(xiàn)的行星，并精確計算了該行星的運動軌道以及它在各個時刻的位置。1846年9月23日晚上，德國天文學家加

20、勒把望遠鏡對準了勒威耶所預(yù)言的位置，立刻發(fā)現(xiàn)了后來被命名為海王星的這顆行星。又如電磁波的存在并預(yù)言了它以光速傳播，是由麥克斯韋用數(shù)學推導(dǎo)出來的，15年后才由德國物理學家赫茲用實驗證實；愛因斯坦通過質(zhì)能關(guān)系式Emc2的研究，預(yù)示了原子核反應(yīng)中質(zhì)量虧損所產(chǎn)生的巨大量。以上事實表明，自然科學中的許多重要結(jié)論都是根據(jù)已知原理，運用數(shù)學的運算、交換法則，經(jīng)過嚴密的數(shù)學推理證明后得到的?？刂谱兞扛鶕?jù)研究目的、運用一定手段（實驗儀器、設(shè)備等）主動干預(yù)或控制自然事物、自然現(xiàn)象發(fā)展的過程，在特定的觀察條件下探索客觀規(guī)律的一種研究方法。自然界發(fā)生的各種現(xiàn)象往往是錯綜復(fù)雜的，并且被研究對象往往不是孤立的，總是處于與

21、其他事物和現(xiàn)象的相互聯(lián)系之中，因此影響研究對象的因素在許多情況下并不是單一的，而是多種因素相互交錯、共同起作用的。要想精確地把握研究對象的各種特性，弄清事物變化的原因和規(guī)律，單靠自然條件下整體觀察研究對象是遠遠不夠的，還必須對研究對象施加人為的影響，造成特定的便于觀察的條件，這就是控制變量的方法。例如在研究氣體的溫度、體積、壓強這3個狀態(tài)變量之間的關(guān)系時，必須設(shè)法把決定氣體狀態(tài)的一個量或兩個量用人為的方法控制起來，使它保持不變，然后來比較、研究其他兩個變量之間的關(guān)系。在進行觀察時，首先把研究對象限定為一定質(zhì)量的氣體，然后研究在溫度恒定的條件下，它的體積跟壓強的關(guān)系，得出了玻意耳定律。如果使一定質(zhì)量氣體的體積（或壓強）保持不變，研究它的壓強跟溫度的關(guān)系（或體積跟溫度的關(guān)系），便得出了查理定律了（或蓋呂薩克定律）。這三個定律都是用控制變量的方法得出的描述一定質(zhì)量的氣體的狀態(tài)量之間的關(guān)系的實驗定律，為建立理想氣體模型、推導(dǎo)理想氣體狀態(tài)方程提供了可靠的實驗依據(jù)。在研究物體的加速度跟所受的外力和物體質(zhì)量的關(guān)系時，也采用了控制變量的方法。如先研究物體質(zhì)量不變時，在大小不同的外力作用下，物體的加速度跟外力的關(guān)系；再研究在相同大小的外力作用下，物體的加速度跟質(zhì)量的關(guān)系。這就是著名的牛頓第二定律。理想模型人們在觀察自然現(xiàn)象時，常會發(fā)現(xiàn)要研究的對象中的一些性質(zhì)，對于現(xiàn)象的過程及