在几个重要物理规律教学中渗透物理学习方法的研究

一堂好的物理课不仅传授物理知识，而且要教给学生科学的学习方法。科学的学习方法不是凭空产生的，也不是一种自然的物理现象。它是人们认识自然和改造自然的过程中形成的一种思维的方式和方法，它蕴藏在物理学家发现物理规律的过程之中，它反映在应用物理知识解决物理问题的过程之中。物理课堂教学为我们提供了丰富多彩的开展学法研究的素材，是学生掌握科学学习方法的最主要阵地。物理教师必须充分挖掘每一个重要物理规律的内涵与外延，特别是物理学家在发现物理规律过程中使用的经典的科学方法、独特的思维方式和巧妙的实验。让学生在学习物理知识的同时，感受到物理真正的美与妙，在美的享受中掌握物理的学习方法。

一个重要物理规律的内涵与外延蕴含一个物理世界，一堂精彩成功的物理课就是一个物理天堂。物理课堂教学的目的不仅让学生对物理规律的内容有较深刻的理解，而且能够从这里体会到前辈大师的研究方法、物理思想和科学精神。学习了一个重要物理定律除了知道定律的内容和会应用定律解决一些问题，还应该从定律的发现过程，学习当年物理前辈是怎样发现这些规律。重要物理定律的内涵和外延主要包括以下几个方面：1、首先是观测到一些重要的现象。2、根据所观测到的现象提出一些重要的研究课题。3、在提出研究课题之后往往是去猜想这个结果可能是什么样。4、然后进行实际实验并测量，假如获得成功则发现了一些规律，这是物理学中最重要的突破。5、定义一些新的物理量，这样才有可能给出规律的定量表述和物理公式，这又是重要的一步。6、进一步需要判定规律成立的条件、适用范围，这两者的含义有时是不同的。7、然后当然还有精度问题。8、最后需要进一步考虑它的理论地位、近代发展以及可能的应用。鲁科版普通高中课程标准实验教科书《物理》选修3-1第1章第2节“静电力 库仑定律”就是一个典型的事例。

对于库仑定律仅仅记住它的公式是不够的，应该从以上的各个方面来考察。下面就以库仑定律为例来看看它的内涵与外延。大家都知道如果两个物体都带电，这两个物体之间有相互作用，这就是电作用。电作用的特点是非接触，那么在发现电相互作用之前这种非接触作用还有万有引力和磁力，因此电作用力是继万有引力和磁力之后发现的第三种非接触力。很自然人们就提出需要研究电作用的规律，这也是受到牛顿万有引力定律的影响，所以在研究电相互作用的时候，很自然地要研究点电荷之间的相互作用规律，这样可以忽略一些次要的因素。人们就开始猜测这个结果大概是怎样，在做实验之前有人就猜到电相互作用可能与距离平方成反比，这个猜到的人叫普利斯特利，普利斯特利是富兰克林的好朋友，富兰克林注意到一个现象：让一个金属桶带电，如果把一个带电的小球放在带电桶的外面，带电小球就很明显的受到作用力，但是如果把带电小球放在桶里面但不接触，发现带电小球几乎不受作用。很多人都知道这个实验，不过也和富兰克林一样，不知如何解释这一实验现象。富兰克林写信告诉普利斯特利这个实验并向他求教。普利斯特利专门重复了这个实验， 他立刻就意识到电力大概也应该与距离平方成反比，普利斯特利是怎样猜到这个结果的？他实际上是用了类比的方法，大家知道一个均匀的物质球壳 ，如果把一个质点放在它的外面，这个质点明显受到万有引力，但是如果把这个质点放在它的里面，这个质点是不受引力的，这是因为万有引力与距离平方成反比的结果。普利斯特利把电的现象和万有引力现象去做个类比。这个类比的猜测对后来库仑的实验具有重要的意义。而且在库仑之前卡文迪什的同心金属壳的实验以及由此确定电力服从平方反比定律也是受到这个类比猜测的启示。1785年库仑就开始做著名的库仑扭秤实验，普利斯特利的类比猜测对库仑的实验有重要的指导意义。库仑是扭秤专家，当时他制作的扭秤精度可以高达10-8N，这就确保了他的实验能够成功，在当时非常困难的实验条件下， 库仑通过实验得到了电斥力与距离平方成反比这一电学最重要的规律。后来也是在这一思想的指导下库仑又做了一个电引力的单摆实验，发现电引力单摆的周期与重力场中的单摆周期一样与摆到引力中心的距离成正比，得到电引力与距离平方成反比的结果，这又是一个重要的类比。在给出库仑定律之前必须引入一个能描述带电物体的新物理量，这就定义了电量这一电学中的第一个物理量即公式中的q1和q2，这个新的物理量有如下的一些特征：首先它具有守恒性即电荷守恒定律，其次是具有量子性即任何物体带的电荷量都是基本电荷的整数倍，还具有相对论不变性即非相对论和正、负电荷两种。这样就得到了著名的库仑定律F=k。库仑定律的成立条件有二条：一条是真空，另一个是静止的点电荷。定律的适用范围：小到原子范围大到太阳系范围库仑定律都适用。精度问题：库仑当年实验的精度达4×10-2数量级，到了1971年精度达10-16数量级。可以说库仑定律是迄今为止物理学中最精确的实验定律之一。在静电学的范围里毫无疑问库仑定律是整个静电学的基础具有崇高的理论地位。通过库仑定律的课堂教学，希望能帮助同学们体会到学习一个物理定律应该怎样从方方面面来考查它，体会到物理规律发现的过程，体会到当年这些前辈大师的研究方法和物理思想。希望能给同学一些借鉴，当你看到一个物理公式时应该浮想联翩。库仑定律的建立是成功运用类比方法的结果，麦克斯韦对类比法有如下的论述：“为了不用物理理论而得到物理思想，我们必须熟悉物理类比的存在。所谓物理类比，我指的是一种科学定律与另一种科学定律之间的部分相似性。它使得这两种科学可以相互说明” 。日本的物理学家汤川秀树也是类比法的成功运用者，他通过将核力和电磁力类比，成功地提出了核力的介子理论。他说：“类比是一种创造性思维的形式，……假定存在一个人所不能理解的某物，他偶尔注意到这一物和他所熟悉的另一物的相似性。他通过将两者比较就可以理解他在此刻之前尚不能理解的某物。如果他的理解是恰当的，而且还没有人达到这样的理解，那么可以说，他的思维确实是创造性得到。

必须指出：有时简单的类比也会导致错误的结果。如惠更斯类比声波，认为光波也是纵波就错了。可见类比结果是否正确还得由实验检验。鲁科版普通高中课程标准实验教科书《物理》选修3-1第六章导入部分“从奥斯特实验说起”就是这方面的经典事例。

电和磁有没有联系？这是先人经常思索的问题，电现象和磁现象有许多的相似性，比如电力和磁力都遵守平方反比定律，但是相似性并不等于本质上有联系。奥斯特受康德哲学思想影响,认为自然界各种基本力可以相互转化。他在研究电流对磁针有无作用时，做了如图1所示的实验，开始他总是把磁针放在载流导线的延长线位置或放在通过导线的水平面位置或垂直导线地放在下方，企图用通电的导线使磁针受力转动，然而尽管导线灼热了，甚至烧红发光了，磁针也毫无动静。错误的原因：是通过与万有引力、电场力简单的类比认为磁力也像它们一样是有心力或平行电流方向，作用力应该在导线与磁针决定的平面内。这就是今天的学生不理解为什么寻找磁力这么困难的原因。1820年4月，奥斯特在作有关电和磁的演讲时，尝试把磁针放在导线下方与导线平行的位置，正当他接通电源时，他发现磁针轻微地晃动了一下，他意识到这正是他多年盼望的效应，这就是电流的磁效应。发现了电流而不是电荷能对磁针产生力的作用，使得它偏转。他第一次把电现象和磁现象联系起来，宣告了电磁学的诞生。奥斯特注意到磁针不是被吸引也不是被排斥，而是受到了偏转，显然磁体是由相反的南北两个磁极构成的，所以奥斯特经过分析他就认为他发现的这种作用力是新型横向力。大家知道在这之前对非接触物体之间的作用力，如万有引力、电力和磁力的表现都是被吸引或者被排斥，即是一种有心力。现在奥斯特所发现的这种作用有点特殊，这种作用力垂直于磁极和电流所构成的平面。因此造成了磁极的扭转。奥斯特的实验在当时科学比较发达的欧洲引起轰动，法拉弟和安培对这一工作的评价很高，法拉弟说：“他突然打开了科学中一个一直是黑暗领域的大门”；安培的评价是：“奥斯特先生已经永远把他的名字和一个新纪元联系在一起了”。所以这样一个突破当时在欧洲大陆很多科学家奔走相告，由于奥斯特实验本来认为电现象和磁现象是没有联系的，现在发现了这种联系而且同时发现了一种新型的横向力，于是就受到很重要的启发，可以说是茅塞顿开，由此一系列相关实验应运而生，同时提出了很多重要的课题，迎来了电磁学发展上的一个高潮。法国著名生物学家巴斯德在讲述奥斯特的发现时，说过一句名言：“在观察领域的一切机遇只偏爱有那些准备的头脑。”这句名言已在社会上被广泛使用。爱因斯坦指出：“从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”

万有引力定律的发现对人类社会的文明和人类社会的进步起到巨大的推动作用，标志经典力学达到了最高潮。哥白尼的日心说、第谷大量精确的实验观察数据和开普勒建立的开普勒三定律为牛顿创立万有引力定律做了大量的准备工作，卡文迪什实验为万有引力定律画上完美的句号。这里有物理的实验领域（第谷的工作）、有唯象理论（开普勒的工作）和理论架构（牛顿的工作）。知道物理学的这种研究方法，具备了这个能力就能够辨别到什么是重要的问题，什么是不重要的问题。在鲁科版普通高中课程标准实验教科书《物理》必修2第五章“万有引力定律及其应用”的教学中可以有选择地给学生介绍一些这方面的物理研究方法。

在重要物理规律教学中渗透物理学习方法研究，是高中物理教学的重要组成部分，需要物理教师积极主动地去挖掘。当然不是高中物理所有的规律都具有以上的特点，实际上在高中阶段每学年有这样一节的物理课也足够了。它对开展学生的学法研究及素质教育一定会产生积极影响。

推荐访问： 物理 几个 学习方法 渗透 规律