高中物理理想實(shí)驗(yàn)教學(xué)的幾點(diǎn)思考

黃俊鑫

【摘 要】理想實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相比區(qū)別在哪里？?jī)烧咧饕诓僮鞣椒ㄉ系膮^(qū)別，理想實(shí)驗(yàn)更注重物理思維的科學(xué)性與合理性，而且其對(duì)教學(xué)實(shí)踐的視角進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】高中物理；理想實(shí)驗(yàn)；實(shí)踐

“理想實(shí)驗(yàn)”亦稱作思想實(shí)驗(yàn)或假想實(shí)驗(yàn)，它是研究者發(fā)揮想象力，在最理想或極端的條件下，采用想象中最理想的器材，通過(guò)最理想化的實(shí)驗(yàn)操作來(lái)完成的。在高中物理教材中有理想實(shí)驗(yàn)的存在，這部分內(nèi)容如何教學(xué)呢？筆者認(rèn)為應(yīng)該關(guān)注到高中理想實(shí)驗(yàn)的操作方法和其中包含的物理思維，本文就該話題談幾點(diǎn)筆者的思考。

一、高中物理教學(xué)中理想實(shí)驗(yàn)的操作方法

理想實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展要進(jìn)行觀念性操作或思維操作，這些是已有認(rèn)知與理想情境交互作用的過(guò)程，是新觀點(diǎn)生成、新關(guān)系發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵。在高中物理教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)理想實(shí)驗(yàn)的思維操作方法，有助于他們深化理解、提升技能，進(jìn)行主動(dòng)而有效地運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)來(lái)思考和研究物理問(wèn)題。

1.外推

所謂“外推”，就是將一定物理情境（或?qū)嶒?yàn)情境）中的某些物理量不斷增大，由此造成事物性質(zhì)的改變，然后再通過(guò)已有的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)和邏輯推理進(jìn)行把握，相關(guān)結(jié)論即可得到確認(rèn)。比如當(dāng)學(xué)生研究出汽車通過(guò)半徑為r的拱形橋的情境中，汽車不脫離橋面的臨界速度為v=，教師即可引導(dǎo)學(xué)生以外推的方式來(lái)進(jìn)行理想實(shí)驗(yàn)：使拱橋的半徑不斷增大，直到等于地球的半徑R，可發(fā)現(xiàn)讓物體脫離地面，圍繞地球進(jìn)行勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速度為v=，代入相關(guān)數(shù)據(jù)即可計(jì)算第一宇宙速度，我們還能據(jù)此來(lái)分析航天器中的失重現(xiàn)象。

2.內(nèi)延

所謂“內(nèi)延”，就是將一定物理情境（或?qū)嶒?yàn)情境）中的某些物理量不斷減小，直到減小至0，從而讓事物處在極為簡(jiǎn)單而純粹的狀態(tài)之中，讓原先被重重因素和關(guān)系所掩蓋的性質(zhì)暴露出來(lái)。比如伽利略的“理想斜面實(shí)驗(yàn)”，即設(shè)想斜面粗糙程度不斷降低，直至斜面絕對(duì)光滑，則小球可以到達(dá)對(duì)接斜面上的等高位置；再假設(shè)對(duì)接斜面的傾角越來(lái)越小，直至水平，則小球?qū)⒃谒矫嫔嫌篮氵\(yùn)動(dòng)下去。

3.疊加

所謂“疊加”，就是先對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行復(fù)制，然后將其與原對(duì)象進(jìn)行一次或多次地串聯(lián)粘貼或并聯(lián)粘貼，并結(jié)合已有認(rèn)知，推斷出復(fù)合體的基本規(guī)律，進(jìn)而揭示物理量之間的關(guān)系。比如安培力的計(jì)算公式F=BIL，在中學(xué)階段很難實(shí)現(xiàn)精確地實(shí)驗(yàn)探究，教學(xué)可以在定性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上展開(kāi)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理想實(shí)驗(yàn)：長(zhǎng)度為L(zhǎng)，且通有電流I的導(dǎo)線垂直放于勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中，設(shè)其所受安培力為F。對(duì)其復(fù)制并進(jìn)行串聯(lián)粘貼，則一次粘貼后，電流為I、長(zhǎng)度為2L、安培力為2F；二次粘貼后，電流為I、長(zhǎng)度為3L、安培力為3F；（n-1）次粘貼后，電流為I、長(zhǎng)度為nL、安培力為nF，有結(jié)論F∝L：。對(duì)其復(fù)制并進(jìn)行并聯(lián)粘貼，則一次粘貼后，電流為2I、長(zhǎng)度為L(zhǎng)、安培力為2F；二次粘貼后，電流為3I、長(zhǎng)度為L(zhǎng)、安培力為3F；（n-1）次粘貼后，電流為nI、長(zhǎng)度為L(zhǎng)、安培力為nF，有結(jié)論：F∝I，綜合可得F∝IL。

4.關(guān)聯(lián)

5.等效

二、利用理想實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)科學(xué)探究能力

物理教師要采用多樣化的教學(xué)方式，發(fā)展學(xué)生物理認(rèn)知，培養(yǎng)科學(xué)探究能力，理想實(shí)驗(yàn)在這一方面有著非常重要的作用。在高中物理的探究式教學(xué)過(guò)程中，教師可以指導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)事實(shí)與已有經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，通過(guò)理想實(shí)驗(yàn)來(lái)形成有關(guān)物理現(xiàn)象或運(yùn)動(dòng)規(guī)律的假說(shuō)，然后或指出該假說(shuō)得到了大量實(shí)例的證實(shí)，或是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)直接或間接地證明假說(shuō)。

例如選修3-1“閉合電路的歐姆定律”一節(jié)，我們指導(dǎo)學(xué)生對(duì)電源兩端的電壓和流過(guò)電源的電流進(jìn)行測(cè)定，描繪出U-I圖象，在此基礎(chǔ)上啟發(fā)學(xué)生通過(guò)外推操作來(lái)構(gòu)建理想實(shí)驗(yàn)：將圖象向兩側(cè)延長(zhǎng)，與橫軸和縱軸相交，且得到函數(shù)關(guān)系式U=a-bI，然后探索其物理意義，將a定義為電源電動(dòng)勢(shì)，將b定義為電源的內(nèi)阻，將bI定義為電源的內(nèi)電壓，形成假說(shuō)——“閉合電路的內(nèi)外電壓之和等于電源的電動(dòng)勢(shì)”，然后再進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

綜上所述，物理教師要充分發(fā)掘教學(xué)內(nèi)容中的理想實(shí)驗(yàn)，并將運(yùn)用于教學(xué)實(shí)踐，這對(duì)學(xué)生物理規(guī)律的理解、思維能力的培養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)的提升大有幫助。讓學(xué)生全方位地經(jīng)歷理想實(shí)驗(yàn)的構(gòu)建過(guò)程，能幫助學(xué)生充分體驗(yàn)科學(xué)探究，讓他們對(duì)物理科研方法產(chǎn)生深刻的認(rèn)識(shí)，并由此發(fā)展其創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造能力，為他們的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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