物理科學(xué)探究常用的研究方法及考點(diǎn)評(píng)析

PAGEPAGE4物理科學(xué)探究常用的研究方法及考點(diǎn)評(píng)析物理課程標(biāo)準(zhǔn)》要求，在突出科學(xué)探究?jī)?nèi)容的同時(shí)，重視研究方法的指導(dǎo)，使學(xué)生在進(jìn)行科學(xué)探究、學(xué)習(xí)物理知識(shí)的過(guò)程中，逐漸拓寬視野，初步領(lǐng)悟到科學(xué)研究方法的真諦。因此，注意考察研究物理問(wèn)題的方法，必將成為當(dāng)前和今后中考的熱點(diǎn)。

在初中階段，需要學(xué)生掌握的科學(xué)研究方法主要有：控制變量法、等效替代法、轉(zhuǎn)換法、理想化模型、理想化實(shí)驗(yàn)、類比法等?，F(xiàn)結(jié)合2008年全國(guó)各地中考試題談?wù)勎锢斫滩闹械难芯糠椒▎?wèn)題。

一、控制變量法

控制變量法就是把一個(gè)多因素影響某一物理量的問(wèn)題，通過(guò)控制某幾個(gè)因素不變，只讓其中一個(gè)因素改變，從而轉(zhuǎn)化為多個(gè)單一因素影響某一物理量的問(wèn)題的研究方法。這種方法在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的表格上的反映為：某兩次實(shí)驗(yàn)只有一個(gè)條件不相同，若兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，則與該條件有關(guān)，否則無(wú)關(guān)?？刂谱兞糠ㄊ侵袑W(xué)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年湖北黃石市）下表是某實(shí)驗(yàn)小組所做的“探究摩擦力大小跟哪些因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)記錄：

實(shí)驗(yàn)次數(shù)接觸面的材料壓力F/N摩擦力f摩／N①木塊與木板8l．6②木塊與木板122．4③木塊與毛巾125．0

（1）分析比較序號(hào)①與②的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出的結(jié)論是

。

（2）分析比較序號(hào)

的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出的結(jié)論是：壓力相同時(shí)，接觸面越粗糙，摩擦力越大。

（3）上述研究方法叫“拉制變量法”，下列實(shí)驗(yàn)中用到此方法的有

（填序號(hào)）

①探究電壓、電流與電阻的關(guān)系；②探究動(dòng)能跟哪些因素有關(guān)；③探究固體熔化時(shí)溫度的變化規(guī)律；④研究影響電磁鐵磁性強(qiáng)弱的因素。

研究方法點(diǎn)撥：摩擦力的大小與接觸面上的壓力和接觸面的粗糙程度有關(guān)。根據(jù)控制變量法的研究思想，研究摩擦力與壓力關(guān)系時(shí)，應(yīng)控制粗糙程度相同，反之研究摩擦力與粗糙程度關(guān)系時(shí)，應(yīng)控制壓力相同。

①與②兩次實(shí)驗(yàn)在接觸面的材料相同時(shí)，壓力不同造成摩擦力不同，所以可得出結(jié)論：在接觸面材料性質(zhì)相同時(shí)，壓力越大，摩擦力就越大；而由表中數(shù)據(jù)可知：壓力相同，接觸面粗糙程度不同造成摩擦力不同的是②③。

參考答案：（1）在接觸面材料性質(zhì)相同時(shí)，壓力越大，摩擦力就越大；（2）②③；（3）①②④。

聯(lián)想：教材中涉及到控制變量法的知識(shí)主要有：探究摩擦力的大小與什么因素有關(guān)；探究壓力的作用效果跟什么因素有關(guān)；研究液體內(nèi)部的壓強(qiáng)規(guī)律；探究動(dòng)能（或重力勢(shì)能）的大小與什么因素有關(guān)；探究不同物質(zhì)的吸熱能力與物質(zhì)種類、質(zhì)量、溫度的關(guān)系；研究決定電阻大小的因素；探究電阻上的電流與電壓的關(guān)系；探究電功（或電熱）跟什么因素有關(guān)；研究影響電磁鐵磁性強(qiáng)弱的因素；研究感應(yīng)電流的方向跟什么因素有關(guān)；研究通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力與什么因素有關(guān)等等。

二、等效替代法

等效替代法是指在保證某一方面效果相同的前提下，用理想的、熟悉的、簡(jiǎn)單的物理對(duì)象、物理過(guò)程、物理現(xiàn)象來(lái)替代實(shí)際的、陌生的、復(fù)雜的物理對(duì)象、物理過(guò)程、物理現(xiàn)象的思想方法。簡(jiǎn)言之，等效的方法就是對(duì)一個(gè)較為復(fù)雜的問(wèn)題，提出一個(gè)簡(jiǎn)單的方案或設(shè)想，而使它們的效果完全相同，從而將問(wèn)題化難為易，求得解決。

例2（2008年山東濰坊）如圖所示，在探究“平面鏡成像的特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)中，將玻璃后放一只與A完全相同的未點(diǎn)燃的蠟燭，這樣做的目的是探究

用直尺分別測(cè)量蠟燭和像到玻璃的距離，目的是

。

研究方法點(diǎn)撥：替代法的測(cè)量思路是等效的思想。由于平面鏡成的像是虛像，此像實(shí)際不存在。若像的位置確定不下來(lái)，平面鏡成像的特點(diǎn)便無(wú)從研究。實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們可以拿一根蠟燭在玻璃板后面來(lái)回移動(dòng)，直到看上去它跟鏡前蠟燭的像完全重合，則有等效替代的思想可知第二根蠟燭可以代替第一根蠟燭的虛像。

參考答案：像與物的大小關(guān)系；探究像和物到平面鏡的關(guān)系。

聯(lián)想：教材中涉及到等效替代法的知識(shí)主要有：研究平面鏡成像特點(diǎn)時(shí)，用鏡后未點(diǎn)燃的蠟燭代替鏡前點(diǎn)燃蠟燭的像；研究多開(kāi)關(guān)復(fù)雜電路時(shí)，用簡(jiǎn)單的“等效電路”簡(jiǎn)化復(fù)雜電路；研究串并聯(lián)電路的電阻關(guān)系時(shí)引入“等效電阻”的概念；研究各分力的作用效果時(shí)引入了“合力”的概念。

三、轉(zhuǎn)換法

物理學(xué)中有的物理現(xiàn)象不便于直接觀察，有的物理量不便于直接測(cè)量，通過(guò)轉(zhuǎn)換為容易觀察或測(cè)量的與之相等或與之相關(guān)聯(lián)的物理現(xiàn)象，從而獲得結(jié)論的研究方法叫轉(zhuǎn)換法。轉(zhuǎn)換法中被轉(zhuǎn)換的對(duì)象很多，可以是物理模型、研究對(duì)象和研究方法，也可以是某個(gè)圖形，某個(gè)物理量。初中物理在研究概念、規(guī)律和實(shí)驗(yàn)中多處應(yīng)用了這種方法。

有的物理現(xiàn)象不便于直接觀察，如分子、電流、磁場(chǎng)看不見(jiàn)、摸不到，我們可分別通過(guò)墨水的擴(kuò)散現(xiàn)象、電流產(chǎn)生的效應(yīng)、磁場(chǎng)中小磁針的偏轉(zhuǎn)來(lái)認(rèn)識(shí)并研究它們。

有的物理量不便于直接測(cè)量，如電阻、電功率等量不宜直接測(cè)量，我們可轉(zhuǎn)化成用電壓表、電流表分別測(cè)出電壓U和電流I，然后分別由公式、計(jì)算出電阻和電功率。

例3（2008年山東淄博）在研究電磁鐵的磁性強(qiáng)弱跟什么因素有關(guān)時(shí)，小華和小明從實(shí)驗(yàn)室選取了匝數(shù)分別為50匝和100匝的外形相同的電磁鐵，并先后將這兩個(gè)電磁鐵接入電路中，如圖所示。閉合開(kāi)關(guān)S后用電磁鐵吸引大頭針，并移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片P重復(fù)了多次實(shí)驗(yàn)，記錄如下：

線圈匝數(shù)50100實(shí)驗(yàn)次數(shù)123456電流表示數(shù)／A1．01．31．61．01．32．0吸引大頭針的最多數(shù)目／枚5810101625

（1）實(shí)驗(yàn)中他們是通過(guò)電磁鐵

來(lái)判定其磁性強(qiáng)弱的；

（2）分析第1．2．3次的實(shí)驗(yàn)記錄，可得出結(jié)論：

；

（3）分析第1．4次和2．5次的實(shí)驗(yàn)記錄，可得出結(jié)論：

。

研究方法點(diǎn)撥：首先要知道電磁鐵磁性的強(qiáng)弱是看不見(jiàn)的，通過(guò)電磁鐵吸引大頭針的數(shù)量可以間接知道電磁鐵磁性的強(qiáng)弱，這就是轉(zhuǎn)化的思想。由前三次實(shí)驗(yàn)可以看出：在線圈的匝數(shù)相同時(shí)，線圈中的電流越大，電磁鐵的磁性越強(qiáng)；由第1．4次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：在線圈中的電流一定時(shí)，線圈的匝數(shù)越多，電磁鐵的磁性越強(qiáng)。

參考答案：⑴吸引大頭針的最大數(shù)量；⑵在線圈的匝數(shù)一定時(shí)，線圈中的電流越大，電磁鐵的磁性越強(qiáng)；（3）在線圈中的電流一定時(shí)，線圈的匝數(shù)越多，電磁鐵的磁性越強(qiáng)。

聯(lián)想：教材中涉及到的轉(zhuǎn)換法的知識(shí)主要有：

1．現(xiàn)象轉(zhuǎn)換：通過(guò)觀察壓強(qiáng)計(jì)U型管內(nèi)液柱的高度差判斷液體內(nèi)部有壓強(qiáng)；通過(guò)馬得堡半球?qū)嶒?yàn)證明大氣壓的存在；通過(guò)觀察木塊被運(yùn)動(dòng)的小球碰撞后移動(dòng)距離的大小來(lái)比較動(dòng)能的大小；通過(guò)觀察木樁被落下的金屬塊撞擊后陷入沙坑中的深淺來(lái)比較重力勢(shì)能的大小；通過(guò)墨水的擴(kuò)散現(xiàn)象來(lái)認(rèn)識(shí)分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)；通過(guò)觀察驗(yàn)電器上錫箔片的開(kāi)合來(lái)判斷物體是否帶電；通過(guò)電流產(chǎn)生的（熱、磁、化學(xué)）效應(yīng)來(lái)判斷電流的存在；通過(guò)觀察電流表示數(shù)來(lái)比較導(dǎo)體電阻的大??；通過(guò)砝碼被提升的高度判斷電功的多少；通過(guò)煤油溫度的變化來(lái)判斷電流產(chǎn)生熱量的多少；通過(guò)指南針指南北證明地磁場(chǎng)的存在；通過(guò)磁體會(huì)使小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)來(lái)判斷磁場(chǎng)的存在；判斷通過(guò)電磁鐵吸引大頭針的多少來(lái)比較電磁鐵磁性的強(qiáng)弱等等；

2．測(cè)量轉(zhuǎn)換：在測(cè)不規(guī)則物體的體積時(shí)轉(zhuǎn)換成測(cè)物體排開(kāi)水的體積；在測(cè)量滑動(dòng)摩擦力時(shí)轉(zhuǎn)化成測(cè)拉力的大?。辉跍y(cè)量大氣壓強(qiáng)時(shí)轉(zhuǎn)化成測(cè)被大氣壓壓起的水銀柱的壓強(qiáng)；密度、壓強(qiáng)、功率、電阻、電功率的測(cè)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：把復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化、摒棄次要的條件，抓住主要的因素，對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行理想化處理，構(gòu)建理想化的物理模型，這是一種重要的物理思想，在建立理想化的物理模型的基礎(chǔ)上，有時(shí)為了更加形象地描述所要研究的物理現(xiàn)象、物理問(wèn)題，還需要引入一些虛擬的內(nèi)容來(lái)直觀、形象的表達(dá)物理情境。如光線、磁感線都是虛擬假定出來(lái)的，但它們卻可以直觀、形象地表述物理情境與事實(shí)，方便的解決問(wèn)題。通過(guò)光線研究光的傳播路徑與方向；通過(guò)磁感線研究磁場(chǎng)的分布；杠桿也是一種理想化模型，由于受力的作用會(huì)引起或大或小的形變，在研究物理問(wèn)題時(shí)可以忽略不計(jì)，即理想化的杠桿可以無(wú)形變。

例4（2008年河南）物理研究中常常用一個(gè)抽象的“模型”來(lái)形象地突出事物的主要特征，如：可以用一條有方向的直線──光線，來(lái)表示光的傳播方向。下列事例中，也用到這種方法的是（

）

A．研究電流時(shí)把它與水流相比

B．用音叉濺起的水花顯示音叉的振動(dòng)

C．用水銀氣壓計(jì)測(cè)量大氣壓

D．利用磁感線來(lái)描述磁場(chǎng)

研究方法點(diǎn)撥：光線、磁感線都是虛擬假定出來(lái)的，但它們卻可以直觀、形象地表述物理情境與事實(shí)，方便的解決問(wèn)題，通過(guò)光線研究光的傳播路徑與方向，通過(guò)磁感線研究磁場(chǎng)的形狀及分布；而研究電流時(shí)把它與水流相比用到的是類比法，用音叉濺起的水花顯示音叉的振動(dòng)用到的是轉(zhuǎn)化法。

參考答案：D。

聯(lián)想：教材中涉及到理想模型法的知識(shí)主要有：表示光的直線傳播的光線，描述磁場(chǎng)的磁感線，描述力的圖示、示意圖，推導(dǎo)液體壓強(qiáng)公式時(shí)選取的“液柱”，分析連通器原理使用的“液片”，研究肉眼觀察不到的原子結(jié)構(gòu)時(shí)建立原子核式結(jié)構(gòu)模型等都屬于理想化模型。

五、理想化實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)推理法）

理想實(shí)驗(yàn)又叫做假想實(shí)驗(yàn)，它是人們?cè)谒枷胫兴茉斓囊环N理想實(shí)驗(yàn)，是邏輯推理的一種特殊形式。它是在觀察實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，忽略次要因素，進(jìn)行合理的推想，得出結(jié)論，達(dá)到認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)的目的。它既要以實(shí)驗(yàn)事實(shí)作基礎(chǔ)，但又不能直接由實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論。

理想實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)的理論研究中有重要的作用。比如，我們?cè)谔骄靠諝饽軅髀暤膶?shí)驗(yàn)中，逐漸將真空罩內(nèi)的空氣抽出，聽(tīng)到罩內(nèi)的鬧鐘的聲音逐漸變?nèi)?，于是我們推理得出將真空罩?nèi)的空氣抽完（即真空），就聽(tīng)不到鬧鐘的聲音了，從而得出真空不能傳聲的結(jié)論。這里采用的方法就是理想化，因?yàn)闊o(wú)論怎樣抽氣是不可能將真空罩內(nèi)的空氣抽完的。

例5（安徽蕪湖）牛頓曾研究過(guò)這樣一個(gè)問(wèn)題：他發(fā)現(xiàn)人擲出去的石頭總會(huì)偏離擲出方向落回地面，于是牛頓提出了一個(gè)“大炮”的設(shè)想。如圖是他畫的“大炮”草圖──在地球的一座高山上架起一只水平大炮，以不同的速度將炮彈平射出去，射出速度越大，炮彈落地點(diǎn)就離山腳越遠(yuǎn)。他推想：當(dāng)射出速度足夠大時(shí)，炮彈將會(huì)如何運(yùn)動(dòng)呢？牛頓通過(guò)科學(xué)的推理得出了一個(gè)重要的結(jié)論。這就是著名的“牛頓大炮”的故事，故事中牛頓實(shí)際也用到了理想實(shí)驗(yàn)的研究方法。

（1）研究中牛頓基于的可靠事實(shí)是

；

（2）根據(jù)以上資料和牛頓的“大炮”草圖，推測(cè)牛頓當(dāng)年的重要結(jié)論是

；

如今，牛頓當(dāng)年的推測(cè)已變成了現(xiàn)實(shí)，人們應(yīng)用他的推論，利用現(xiàn)代科技制成了

。

研究方法點(diǎn)撥：地球附近的物體都受到重力的作用，所以拋出去的石頭總會(huì)偏離擲出去的方向落向地面，這是事實(shí)。我們假定水平射出去的炮彈不受重力的作用，當(dāng)炮彈水平射出后，由于地球不是一個(gè)平面而是圓的，炮彈會(huì)離地面越來(lái)越遠(yuǎn)，站地面的人看來(lái)，炮彈在往高處飛去，但事實(shí)上炮彈要受到重力的作用，這樣使它向前飛行遠(yuǎn)離地面的同時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向時(shí)刻會(huì)發(fā)生改變，向著地面下落，如果炮彈射出去的速度合適，它會(huì)圍繞地球作圓周運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)代的人造地球衛(wèi)星就是利用這個(gè)原理制成。

參考答案：⑴人擲出去的石頭總會(huì)偏離擲出方向落回地面；⑵拋出物體的速度足夠大時(shí)，物體將離開(kāi)地球，繞地球旋轉(zhuǎn)，做圓周運(yùn)動(dòng)；人造地球衛(wèi)星。

聯(lián)想：教材中涉及到理想化實(shí)驗(yàn)的知識(shí)主要有：研究真空不能傳聲；用“斜面小車實(shí)驗(yàn)”研究牛頓第一定律等等。

六、類比法

類比法是一種推理方法。它是指為了把要表述的物理問(wèn)題說(shuō)的清楚明白，人們常常用具體的、有形的人們所熟知的事物來(lái)類比要說(shuō)明那些抽象的、無(wú)形的、陌生的事物。通過(guò)類比使人們對(duì)所要揭示的事物有一個(gè)直接的、具體的、形象的認(rèn)識(shí)，找出類似的規(guī)律。如研究電流時(shí)類比水流，形象直觀的比較，很容易被學(xué)生理解記憶牢固。

例6（天門中考）19世紀(jì)末，湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，將人們的視線引入到了原子的內(nèi)部，由此，科學(xué)家們提出了多種關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的模型。通過(guò)學(xué)習(xí)，你認(rèn)為原子結(jié)構(gòu)與下列事物結(jié)構(gòu)最接近的是（）

A．西紅柿B．西瓜C．面包D．太陽(yáng)系

研究方法點(diǎn)撥：大家首先要在頭腦中再現(xiàn)學(xué)習(xí)過(guò)的原子結(jié)構(gòu)的模型：原子由位于原子中心的原子核和核外電子組成，核外電子在原子核的電力吸引下，繞核高速運(yùn)動(dòng)，這與太陽(yáng)系十分相似。太陽(yáng)系中太陽(yáng)位于中心，八大行星在引力作用下繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)。它們?cè)诳臻g結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式上都是相似的。

聯(lián)想：教材中涉及到類比法的知識(shí)主要有：研究電流時(shí)類比水流；研究分子內(nèi)能時(shí)類比物體的機(jī)械能；學(xué)習(xí)功率時(shí)類比速度；學(xué)習(xí)大氣壓時(shí)類比液體壓強(qiáng)；研究電磁波時(shí)類比水波等等。

總之，利用控制變量法研究物理問(wèn)題，注重了知識(shí)的形成過(guò)程，有利于扭轉(zhuǎn)重結(jié)論、輕過(guò)程的傾向；等效替代法在效果相同的情