嚴桂華
(江蘇省溧水高級中學附屬初級中學,江蘇 南京 211200)
《義務教育物理課程標準(2011年版)》指出:物理學不僅含有人類探索大自然的知識成果,而且含有探索者的科學思想、科學方法、科學態(tài)度和科學精神等。初中生通過學習物理,其科學思維能力會得到培養(yǎng),能更好地解決新問題。比值在物理概念、規(guī)律中經(jīng)常出現(xiàn),在初中物理教學中運用比值法比較物理量大小、發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律,將會更好地幫助學生理解所學物理知識,培養(yǎng)他們的科學思維能力。
在蘇科版初中物理教材中,許多定義都運用了比值法,如速度、壓強、比熱容、功率等,現(xiàn)以“速度”一節(jié)的教學為例進行說明。
在教學中,教師先指出速度是描述物體運動快慢的物理量,進而開始速度公式的探索過程。
師:兩位同學正在賽跑,作為觀眾,你如何比較兩位同學跑步的快慢?
生:相同時間比路程,路程大的同學跑得快。
師:作為裁判,他如何比較兩位同學跑步的快慢?
生:相同路程比時間,用時短的同學跑得快。
師:現(xiàn)在有兩位同學賽跑,一位同學在2s內(nèi)跑了14m,另一位同學在3s內(nèi)跑了24m,誰快誰慢?
此時學生會想到用路程除以時間,前者結(jié)果為7m/s,后者結(jié)果為8m/s,后者快。
教師追問:那么7m/s和8m/s分別表示什么?
生:前者表示一位同學用時1秒跑了7米,后者表示另一位同學用時1秒跑了8米,所以第二位同學快。
教師總結(jié):也就是在解決這種問題時可以轉(zhuǎn)化為采用哪種方法?
生:相同時間比路程。
師:怎么轉(zhuǎn)化的?
生:用路程除以時間。
教師板書“比值”,指出:它越大,表明該同學跑得越快,我們把這個比值叫做速度。
此時,自然提出了速度的定義。
師:剛剛我們是如何把不同時間轉(zhuǎn)化為相同時間的?
生:除以時間。
師:除以時間后便轉(zhuǎn)化成了相同的時間。那么在其他的情境中,我們也可以采用類似的方法,把不同的量轉(zhuǎn)化成相同的量,只要除以對應的量,從而統(tǒng)一標準,就能得出比值,進行比較,我們把這種方法叫做比值法。
同理采用這一方法可引出壓強定義,比較符合學生的認知特點,以下以“壓強”的教學為例予以說明。首先引導學生進行實驗探究,得出壓力的作用效果與壓力大小、受力面積的關系:當受力面積相同時,壓力越大,作用效果越明顯;當壓力相同時,受力面積越小,作用效果越明顯。
接下來引導學生運用這一結(jié)論分析3道題目。
題1:甲、乙兩個物體平放在地面上,它們與地面的接觸面積都是10cm2,不同的是甲所受重力是10N,而乙所受重力為4N,那么誰對地面的作用效果更明顯呢?
學生根據(jù)實驗結(jié)論很快便能夠找到方法:相同面積比壓力,壓力越大,作用效果越明顯,所以答案是甲同學對地面的作用效果更明顯。
題2:甲、丙兩個物體平放在地面上,它們的重力都是10N,但甲與地面的接觸面積有10cm2,而丙有50cm2,那么誰對地面的作用效果更明顯呢?
學生很快發(fā)現(xiàn):相同壓力比面積,面積越小,作用效果越明顯,甲物體對地面的作用效果更明顯。
題3:乙、丙兩個物體平放在地面上,乙重4N,丙重10N,乙與地面接觸面積是10cm2,丙是50cm2,那么誰對地面的作用效果更明顯呢?
教師提問:面積、壓力均不同,如何比較兩者對地面的作用效果呢?
在學生思考后,教師可以引導學生回憶“速度”知識,時間、路程均不同時如何比較運動快慢?學生會想到運用比值法。思維快的學生會提出:用壓力除以受力面積,思考慢的學生不妨給他們時間重復計算比值:對于乙物體,4N除以10cm2等于0.4N/cm2,丙物體呢?10N除以50cm2等于0.2N/cm2。所以,乙物體對地面的作用效果更明顯。在此基礎上教師引出比值,給出壓強的定義。
這兩個教學片斷都是運用比值法比較物理量的大小,從而引出定義,這也是基于比較的方法,在異中求同、同中求異、同異綜合的過程中分析、比較。教師應重點強調(diào)該方法的核心:先要比,就是除,通過除的方法,把不同的量轉(zhuǎn)化成相同的量,從而能統(tǒng)一標準;比之后得到一個值,我們再對該值進行比較即可。而在這一過程中學生學會的不僅僅是速度的定義,也學會了比較物理量大小的方法。
在研究物理問題時,常會遇到這樣的情況:某兩個(或幾個)量在一定條件下成正比,其比值是一個常量,這個常量正好反映了事物的本質(zhì)屬性。因此,利用這個比值可以對描寫事物本質(zhì)屬性的概念下定義。運用比值法發(fā)現(xiàn)規(guī)律的方法正是基于這一認識,下面是筆者在“密度”教學中,運用比值法尋找物質(zhì)特性方面的規(guī)律,從而引出密度的定義。
首先學生由生活經(jīng)驗進行猜想與假設,對于一枚、兩枚……相同的硬幣,硬幣的枚數(shù)增大幾倍,質(zhì)量也相應地增大幾倍。由于一枚硬幣的體積一定,因此我們可以推測:質(zhì)量與體積可能成正比。那么,由其他物質(zhì)組成的物體,質(zhì)量與體積是否也滿足這種關系呢?
學生進行小組合作,每個小組選擇兩種不同的物質(zhì)(如鐵和塑料、銅和鋁等),每種物質(zhì)各選三個體積不等的長方體。學生用天平測量物體的質(zhì)量,用刻度尺測量、計算物體的體積,并將測得的數(shù)據(jù)記錄在表格中。學生根據(jù)測得的實驗數(shù)據(jù),對以下問題進行交流與討論:
(1) 同種物質(zhì)構成的不同物體,質(zhì)量與體積的比值是否相等?質(zhì)量與體積成正比嗎?
(2) 不同物質(zhì)構成的物體,質(zhì)量與體積的比值是否相等?
在探究、討論的基礎上,學生發(fā)現(xiàn)了其中的規(guī)律:同種物質(zhì)構成的不同物體,質(zhì)量與體積的比值為定值;不同物質(zhì)構成的物體,質(zhì)量與體積的比值一般不相等。物體質(zhì)量與體積之比反映了組成該物體的物質(zhì)所特有的性質(zhì)。在此基礎上,引出了密度的定義。
在運用比值法尋找規(guī)律的過程中,學生發(fā)現(xiàn)了新的定義,更重要的是學生學會了研究問題的方法。
歐姆定律因涉及電壓、電流、電阻3個概念的定量關系,是教學的難點,在這節(jié)課前,學生已經(jīng)了解這3個概念,“歐姆定律”的教學是對這3個概念關系的“收網(wǎng)”,故而對學生的思維要求較高。在理解教材的基礎上,運用比值法,概括出歐姆定律將變得順理成章。
筆者在課堂上設計表格,將學生探究得出的電壓、電流、電阻數(shù)據(jù)填入,學生很快會概括出其中的規(guī)律:電壓與電流的比值大小等于電阻的大小,進而引入相關公式便顯得水到渠成。
“比熱容”也是初中物理教學的難點,如果教師巧用比值法,將會有種柳暗花明的感覺。
在實驗中換用不同質(zhì)量的水,仍用原來的酒精燈加熱,具體操作過程如下:增加一組器材,加熱的仍然是水,但燒杯內(nèi)水的質(zhì)量是原來燒杯內(nèi)水質(zhì)量的2倍,實驗數(shù)據(jù)如表1。
表1
首先,對水與沙子的數(shù)據(jù)進行比較,得到結(jié)論:質(zhì)量相等的沙子和水升高相同的溫度,水吸收的熱量更多,吸熱能力更強;再推廣這一結(jié)論:不同物質(zhì)在質(zhì)量相等、升高溫度相同的條件下,吸收的熱量一般不相等。
其次,對水的兩組實驗數(shù)據(jù)進行分析:(1) 單獨分析表2中第2組數(shù)據(jù),在0-2 min內(nèi)水的溫度升高16 ℃,在0-4 min內(nèi)水的溫度升髙31 ℃,若控制水的質(zhì)量不變,加熱時間變成原來的2倍,則水升髙的溫度大約也變成原來的2倍。(2) 再比較第2組和第3組前2 min的數(shù)據(jù),控制加熱時間相同,即吸收熱量相同,水的質(zhì)量變?yōu)樵瓉淼囊话?,而升高的溫度大約變?yōu)樵瓉淼?倍。
綜合分析,得出結(jié)論:同種物質(zhì)吸收的熱量與它的質(zhì)量和升高溫度的乘積之比相等,即該比值描述了物質(zhì)的一種物理屬性,其大小與物體的質(zhì)量大小、吸收熱量的多少、溫度變化的大小無關。在此基礎上,可以引導學生對第1、2組數(shù)據(jù)進行分析,可得出結(jié)論:不同物質(zhì)吸收的熱量與它的質(zhì)量和升高溫度的乘積之比不等。正如我們發(fā)現(xiàn)同種物質(zhì)的比值為定值而引入“密度”來描述這種特性一樣,也引入一個新的物理量——比熱容c來描述今天的發(fā)現(xiàn)。
教師在教學中巧用比值法,引導學生自主建構物理概念、總結(jié)物理規(guī)律,將有益于學生科學思維能力的提升。