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        巧用比值法培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力

        2021-05-25 09:02:58嚴(yán)桂華
        物理之友 2021年3期
        關(guān)鍵詞:比值物體體積

        嚴(yán)桂華

        (江蘇省溧水高級(jí)中學(xué)附屬初級(jí)中學(xué),江蘇 南京 211200)

        《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》指出:物理學(xué)不僅含有人類探索大自然的知識(shí)成果,而且含有探索者的科學(xué)思想、科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神等。初中生通過(guò)學(xué)習(xí)物理,其科學(xué)思維能力會(huì)得到培養(yǎng),能更好地解決新問(wèn)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(xué)中運(yùn)用比值法比較物理量大小、發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律,將會(huì)更好地幫助學(xué)生理解所學(xué)物理知識(shí),培養(yǎng)他們的科學(xué)思維能力。

        1 運(yùn)用比值法比較物理量大小

        在蘇科版初中物理教材中,許多定義都運(yùn)用了比值法,如速度、壓強(qiáng)、比熱容、功率等,現(xiàn)以“速度”一節(jié)的教學(xué)為例進(jìn)行說(shuō)明。

        在教學(xué)中,教師先指出速度是描述物體運(yùn)動(dòng)快慢的物理量,進(jìn)而開(kāi)始速度公式的探索過(guò)程。

        師:兩位同學(xué)正在賽跑,作為觀眾,你如何比較兩位同學(xué)跑步的快慢?

        生:相同時(shí)間比路程,路程大的同學(xué)跑得快。

        師:作為裁判,他如何比較兩位同學(xué)跑步的快慢?

        生:相同路程比時(shí)間,用時(shí)短的同學(xué)跑得快。

        師:現(xiàn)在有兩位同學(xué)賽跑,一位同學(xué)在2s內(nèi)跑了14m,另一位同學(xué)在3s內(nèi)跑了24m,誰(shuí)快誰(shuí)慢?

        此時(shí)學(xué)生會(huì)想到用路程除以時(shí)間,前者結(jié)果為7m/s,后者結(jié)果為8m/s,后者快。

        教師追問(wèn):那么7m/s和8m/s分別表示什么?

        生:前者表示一位同學(xué)用時(shí)1秒跑了7米,后者表示另一位同學(xué)用時(shí)1秒跑了8米,所以第二位同學(xué)快。

        教師總結(jié):也就是在解決這種問(wèn)題時(shí)可以轉(zhuǎn)化為采用哪種方法?

        生:相同時(shí)間比路程。

        師:怎么轉(zhuǎn)化的?

        生:用路程除以時(shí)間。

        教師板書“比值”,指出:它越大,表明該同學(xué)跑得越快,我們把這個(gè)比值叫做速度。

        此時(shí),自然提出了速度的定義。

        師:剛剛我們是如何把不同時(shí)間轉(zhuǎn)化為相同時(shí)間的?

        生:除以時(shí)間。

        師:除以時(shí)間后便轉(zhuǎn)化成了相同的時(shí)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(duì)應(yīng)的量,從而統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),就能得出比值,進(jìn)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(qiáng)定義,比較符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn),以下以“壓強(qiáng)”的教學(xué)為例予以說(shuō)明。首先引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,得出壓力的作用效果與壓力大小、受力面積的關(guān)系:當(dāng)受力面積相同時(shí),壓力越大,作用效果越明顯;當(dāng)壓力相同時(shí),受力面積越小,作用效果越明顯。

        接下來(lái)引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用這一結(jié)論分析3道題目。

        題1:甲、乙兩個(gè)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(shuí)對(duì)地面的作用效果更明顯呢?

        學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(xué)對(duì)地面的作用效果更明顯。

        題2:甲、丙兩個(gè)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(shuí)對(duì)地面的作用效果更明顯呢?

        學(xué)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(duì)地面的作用效果更明顯。

        題3:乙、丙兩個(gè)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(shuí)對(duì)地面的作用效果更明顯呢?

        教師提問(wèn):面積、壓力均不同,如何比較兩者對(duì)地面的作用效果呢?

        在學(xué)生思考后,教師可以引導(dǎo)學(xué)生回憶“速度”知識(shí),時(shí)間、路程均不同時(shí)如何比較運(yùn)動(dòng)快慢?學(xué)生會(huì)想到運(yùn)用比值法。思維快的學(xué)生會(huì)提出:用壓力除以受力面積,思考慢的學(xué)生不妨給他們時(shí)間重復(fù)計(jì)算比值:對(duì)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(duì)地面的作用效果更明顯。在此基礎(chǔ)上教師引出比值,給出壓強(qiáng)的定義。

        這兩個(gè)教學(xué)片斷都是運(yùn)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(guò)程中分析、比較。教師應(yīng)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)該方法的核心:先要比,就是除,通過(guò)除的方法,把不同的量轉(zhuǎn)化成相同的量,從而能統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn);比之后得到一個(gè)值,我們?cè)賹?duì)該值進(jìn)行比較即可。而在這一過(guò)程中學(xué)生學(xué)會(huì)的不僅僅是速度的定義,也學(xué)會(huì)了比較物理量大小的方法。

        2 運(yùn)用比值法發(fā)現(xiàn)規(guī)律

        在研究物理問(wèn)題時(shí),常會(huì)遇到這樣的情況:某兩個(gè)(或幾個(gè))量在一定條件下成正比,其比值是一個(gè)常量,這個(gè)常量正好反映了事物的本質(zhì)屬性。因此,利用這個(gè)比值可以對(duì)描寫事物本質(zhì)屬性的概念下定義。運(yùn)用比值法發(fā)現(xiàn)規(guī)律的方法正是基于這一認(rèn)識(shí),下面是筆者在“密度”教學(xué)中,運(yùn)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(xué)生由生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行猜想與假設(shè),對(duì)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(yīng)地增大幾倍。由于一枚硬幣的體積一定,因此我們可以推測(cè):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(guān)系呢?

        學(xué)生進(jìn)行小組合作,每個(gè)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(gè)體積不等的長(zhǎng)方體。學(xué)生用天平測(cè)量物體的質(zhì)量,用刻度尺測(cè)量、計(jì)算物體的體積,并將測(cè)得的數(shù)據(jù)記錄在表格中。學(xué)生根據(jù)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)以下問(wèn)題進(jìn)行交流與討論:

        (1) 同種物質(zhì)構(gòu)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(gòu)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(chǔ)上,學(xué)生發(fā)現(xiàn)了其中的規(guī)律:同種物質(zhì)構(gòu)成的不同物體,質(zhì)量與體積的比值為定值;不同物質(zhì)構(gòu)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(chǔ)上,引出了密度的定義。

        在運(yùn)用比值法尋找規(guī)律的過(guò)程中,學(xué)生發(fā)現(xiàn)了新的定義,更重要的是學(xué)生學(xué)會(huì)了研究問(wèn)題的方法。

        3 運(yùn)用比值法概括規(guī)律

        歐姆定律因涉及電壓、電流、電阻3個(gè)概念的定量關(guān)系,是教學(xué)的難點(diǎn),在這節(jié)課前,學(xué)生已經(jīng)了解這3個(gè)概念,“歐姆定律”的教學(xué)是對(duì)這3個(gè)概念關(guān)系的“收網(wǎng)”,故而對(duì)學(xué)生的思維要求較高。在理解教材的基礎(chǔ)上,運(yùn)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(shè)計(jì)表格,將學(xué)生探究得出的電壓、電流、電阻數(shù)據(jù)填入,學(xué)生很快會(huì)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(jìn)而引入相關(guān)公式便顯得水到渠成。

        4 比值法的巧妙運(yùn)用

        “比熱容”也是初中物理教學(xué)的難點(diǎn),如果教師巧用比值法,將會(huì)有種柳暗花明的感覺(jué)。

        在實(shí)驗(yàn)中換用不同質(zhì)量的水,仍用原來(lái)的酒精燈加熱,具體操作過(guò)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(lái)燒杯內(nèi)水質(zhì)量的2倍,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

        表1

        首先,對(duì)水與沙子的數(shù)據(jù)進(jìn)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(qiáng);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(duì)水的兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析:(1) 單獨(dú)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(shí)間變成原來(lái)的2倍,則水升髙的溫度大約也變成原來(lái)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(shí)間相同,即吸收熱量相同,水的質(zhì)量變?yōu)樵瓉?lái)的一半,而升高的溫度大約變?yōu)樵瓉?lái)的2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(wú)關(guān)。在此基礎(chǔ)上,可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)第1、2組數(shù)據(jù)進(jìn)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(lái)描述這種特性一樣,也引入一個(gè)新的物理量——比熱容c來(lái)描述今天的發(fā)現(xiàn)。

        教師在教學(xué)中巧用比值法,引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)物理概念、總結(jié)物理規(guī)律,將有益于學(xué)生科學(xué)思維能力的提升。

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