朱文軍

(江蘇省教育科學(xué)研究院,江蘇 南京 210013)

1 提出問題

浮力的大小與物體浸入液體中的深度是否有關(guān),要分成兩種情況進(jìn)行討論.當(dāng)物體浸沒后,浮力的大小與物體浸入的深度無關(guān),這種情況實(shí)驗(yàn)操作簡單、學(xué)生也容易理解;第二種情況是物體浸沒前,這種情況一直困擾著很多師生,大家的觀點(diǎn)很難統(tǒng)一.在2022年中考試題中就出現(xiàn)了這樣一個(gè)有待商榷的試題.

(2022年某地中考試題)興趣小組探究影響浮力大小的因素.

提出如下猜想.

猜想1:與物體浸在液體中的深度有關(guān).

猜想2:與物體浸在液體中的體積有關(guān).

猜想3:與液體的密度有關(guān).

小組為驗(yàn)證上述猜想,用彈簧測力計(jì)、4個(gè)相同的小長方體磁力塊、2個(gè)分別盛有水和鹽水的燒杯等,按圖1(甲)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn):

圖1 原題圖

① 利用磁力將4個(gè)磁力塊組合成長方體物塊;

② 根據(jù)圖A、B、C的測量結(jié)果,小明認(rèn)為猜想1是正確的,小華卻認(rèn)為不一定正確.你覺得小華的理由是;

③ 小華為了證明自己的想法,利用上述器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)D,根據(jù)A、B、D的測量結(jié)果,可得:浮力大小與物體浸在液體中的深度無關(guān),請?jiān)趫D1-D中畫出她實(shí)驗(yàn)時(shí)長方體物塊的放置圖.

題目給的參考答案是:②沒有控制物體排開液體的體積相同.③如圖2所示.

圖2 答案圖

筆者認(rèn)為此題值得商榷.針對影響浮力大小的因素提出的猜想之間應(yīng)該是相互獨(dú)立的.根據(jù)題目給的實(shí)驗(yàn)器材,物體浸沒前浸入的體積和浸入的深度之間存在V排=Sh的關(guān)系,V排和h不是相互獨(dú)立的.

2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 遵循邏輯

為什么要用控制變量法?這是我們應(yīng)該思考的一個(gè)問題.在傳統(tǒng)邏輯的發(fā)展過程中遇到如何探究兩個(gè)事物之間是否有因果聯(lián)系的問題,弗蘭西斯·培根最早做過研究,后經(jīng)穆勒進(jìn)行歸納總結(jié),形成了溯因推理經(jīng)常用到的“穆勒五法”,包括求同法、求異法、求同求異法、共變法和剩余法.“穆勒五法”是在長期的生產(chǎn)生活實(shí)踐中概括總結(jié)出來的,得出的結(jié)論不具有必然性,而具有或然性.考查的情況越多,得出結(jié)論的可靠程度就越高.

2.1 求同法

求同法是指在某個(gè)事物A出現(xiàn)的若干場合中,都有唯一的相同情況a出現(xiàn),則a和A之間很可能有因果關(guān)系.公式如表1所示.

表1 求同法

則:A和a之間很可能有因果關(guān)系.

在探究聲音是如何產(chǎn)生時(shí),就可以用求同法來進(jìn)行研究.把敲擊后的音叉接觸懸掛著的乒乓球,看到乒乓球被彈開(說明音叉在振動(dòng)),同時(shí)聽到音叉發(fā)聲;被敲擊的鑼發(fā)聲,用手摸發(fā)聲的鑼感覺到它在振動(dòng);在發(fā)聲的音箱紙盆上放一些小泡沫球,看到小泡沫球上下跳動(dòng);說話時(shí)用手摸喉結(jié),感覺到聲帶在振動(dòng)……利用求同法,可以得出聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的.

2.2 求異法

求異法是指在某個(gè)事物a出現(xiàn)與不出現(xiàn)的兩個(gè)場合中,只有唯一的不同(對應(yīng)著A的出現(xiàn)與否),則a和A之間很可能有因果關(guān)系.公式如表2所示.

表2 求異法

則:A和a之間很可能有因果關(guān)系.

探究聲音的產(chǎn)生條件也可以用到求異法.用敲擊后的音叉接觸懸掛著的乒乓球時(shí),乒乓球被彈開(說明音叉在振動(dòng)),同時(shí)聽到音叉發(fā)聲;用沒有敲擊的音叉接觸懸掛著的乒乓球時(shí),乒乓球沒有被彈開(說明音叉不振動(dòng)),也聽不到音叉發(fā)聲.得出聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的.

2.3 求同求異法

為了使結(jié)論的可靠程度更高,在進(jìn)行溯因推理時(shí)會(huì)用到求同求異法.現(xiàn)象a出現(xiàn)和不出現(xiàn)的情況都有幾種,這時(shí)可以在現(xiàn)象a出現(xiàn)的組內(nèi)求同、現(xiàn)象a沒有出現(xiàn)的組內(nèi)也求同,兩組之間求異.

2.4 共變法

在探究兩個(gè)物理量之間是否有因果聯(lián)系時(shí),經(jīng)常用到共變法.在被研究現(xiàn)象發(fā)生一定程度變化的各個(gè)場合中,如果其中只有一個(gè)情況(A)發(fā)生一定程度的變化,而其他情況保持不變,那么這個(gè)唯一變化的情況(A)很可能就是被研究現(xiàn)象(a)變化的原因(或結(jié)果),如表3所示.

表3 共變法

當(dāng)學(xué)生提出滑動(dòng)摩擦力的大小可能與壓力和接觸面粗糙程度有關(guān)時(shí),應(yīng)該分別研究接觸面粗糙程度相同時(shí)滑動(dòng)摩擦力大小是否隨壓力的變化而變化、壓力相同時(shí)滑動(dòng)摩擦力大小是否隨接觸面粗糙程度的變化而變化,從而根據(jù)現(xiàn)象得出結(jié)論.

在設(shè)計(jì)此實(shí)驗(yàn)時(shí)要用到控制變量法,在根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(數(shù)據(jù))推理、論證得出結(jié)論的過程中要用到“穆勒五法”中的共變法.

2.5 剩余法

已知復(fù)合因素(A,B,C,D)是復(fù)合現(xiàn)象(a,b,c,d)的原因,又已知B是b的原因,C是c的原因,D是d的原因,那么剩下的A就是a的原因.

從中可以發(fā)現(xiàn),在探究事物之間是否有因果聯(lián)系時(shí),在推理、論證的過程中無論用到“穆勒五法”中的哪一種方法,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)都要用到控制變量法.求同法要求各個(gè)場合中相同因素只有一個(gè);求異法要求各個(gè)場合中不同的因素只有一個(gè);共變法要求變化的物理量只有一個(gè);剩余法要求剩下的因素只有一個(gè).

3 把握本質(zhì) 用好方法

用控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究事物之間是否有因果聯(lián)系,是用“穆勒五法”進(jìn)行溯因推理的必然要求.首先要明確相同的因素或者不同的因素(物理量)只能有一個(gè).

3.1 求同法中相同的因素要唯一

在探究電荷之間相互作用規(guī)律時(shí),可以設(shè)計(jì)用相同方法摩擦(兩根一樣的玻璃棒與同一塊絲綢摩擦、兩根相同的橡膠棒與同一塊毛皮摩擦、兩根一樣的吸管與同一個(gè)塑料袋摩擦、兩個(gè)同樣的梳子與同一位學(xué)生的頭發(fā)摩擦等),現(xiàn)象是兩個(gè)用同樣方法摩擦的物體放在一起都相互排斥,各個(gè)場合的兩個(gè)物體都是帶同種電荷.根據(jù)求同法得出同種電荷相互排斥.當(dāng)發(fā)現(xiàn)絲綢摩擦過的玻璃棒和毛皮摩擦過的橡膠棒相互靠近時(shí)吸引,根據(jù)“同種電荷相互排斥”可以得出玻璃棒和橡膠棒帶的不是同種電荷,不是同種電荷就應(yīng)該是異種電荷,進(jìn)一步推理出異種電荷相互吸引.當(dāng)后來遇到兩個(gè)物體相互排斥時(shí),根據(jù)“異種電荷相互吸引”可以知道這兩個(gè)物體帶的不是異種電荷,那就應(yīng)該是同種電荷.同理,兩個(gè)帶電體相互吸引時(shí),根據(jù)“同種電荷相互排斥”可以得出這兩個(gè)物體帶的不是同種電荷,那就應(yīng)該是異種電荷.可以發(fā)現(xiàn),“同種電荷”與“相互排斥”是等價(jià)的關(guān)系,也就是充分必要條件(充要條件);“異種電荷”與“相互吸引”也是充要條件.

3.2 求異法中不同的因素要唯一

“二力平衡”的教學(xué)邏輯順序是由圖片(視頻)介紹平衡狀態(tài)的定義、平衡力的定義、二力平衡的定義,然后請學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)和課堂上的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象猜想二力平衡中的兩個(gè)力要滿足哪些條件.當(dāng)學(xué)生提出大小相等、方向相反、作用在同一直線上這3個(gè)猜想(條件)時(shí),就需要用求異法進(jìn)行推理論證、控制變量法進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn).可以做4次實(shí)驗(yàn),第1次同時(shí)滿足3個(gè)條件,后面3次每次只滿足其中2個(gè)條件,實(shí)驗(yàn)過程和現(xiàn)象如表4所示.

表4 “二力平衡”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

比較實(shí)驗(yàn)2和1可以知道大小相等是必要條件;比較實(shí)驗(yàn)3和1可以知道方向相反是必要條件;比較實(shí)驗(yàn)4和1可以知道兩個(gè)力在同一直線上也是必要條件.

第3次實(shí)驗(yàn)兩個(gè)力在一條直線上方向不相反,學(xué)生很容易想到設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)要讓兩個(gè)力方向相同;第4次實(shí)驗(yàn)要求研究對象受到的兩個(gè)力方向相反但不在同一直線上,學(xué)生經(jīng)過思考會(huì)想到幾何中學(xué)習(xí)的同一平面內(nèi)兩條直線的位置關(guān)系——平行,如圖3所示.而圖4和圖5的設(shè)計(jì)方案都是錯(cuò)誤的,這兩種設(shè)計(jì)和第1次實(shí)驗(yàn)相比(求異)都有兩個(gè)因素不同(既不共線也不反向),根據(jù)實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)1求異得出的結(jié)論“方向相反是必要條件”,那不管“共線”是不是必要條件物體都不能保持平衡狀態(tài).

圖3 卡片受力方向平行

圖4 往下拉卡片

圖5 向上拉卡片

順便說明一下,探究二力平衡的條件實(shí)驗(yàn)無須探究兩個(gè)力是否要作用在一個(gè)物體上,二力平衡的定義已經(jīng)明確規(guī)定是一個(gè)物體只在兩個(gè)力的作用下處于平衡狀態(tài).

有教師在A、B兩個(gè)大試管中各裝入50 mL常溫水,用導(dǎo)管C把水蒸氣導(dǎo)入試管B 中,發(fā)現(xiàn)試管B中的溫度計(jì)示數(shù)上升,如圖6所示,從而根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來說明液化放熱,這種設(shè)計(jì)和推理邏輯上是錯(cuò)誤的.我們可以假設(shè)液化既不放熱也不吸熱,由于液化成的100 ℃水比試管B中原來水的溫度高,也會(huì)對試管B中的冷水放熱,提高水溫.

圖6 希望說明液化放熱實(shí)驗(yàn)裝置

3.3 共變法中變化的物理量要唯一

研究弦樂器的音調(diào)與哪些因素有關(guān),是中學(xué)物理教學(xué)中最先用到控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、用共變法推理的探究性實(shí)驗(yàn),學(xué)生往往會(huì)提出弦的材料、粗細(xì)(橫截面積)和松緊程度.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)要設(shè)計(jì)3組實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行研究.

在探究重力大小與哪些因素有關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí),大陸現(xiàn)行各版本義務(wù)教育階段物理課本用的研究對象都是鉤碼,主要考慮鉤碼的質(zhì)量已經(jīng)知道無須測量(用天平測量物體質(zhì)量比較耗時(shí)),用彈簧測力計(jì)測量重力可以練習(xí)使用彈簧測力計(jì).這樣的設(shè)計(jì)考慮了取材方便、操作簡單、節(jié)約時(shí)間,但是有師生認(rèn)為這里使用鉤碼是為了控制變量,控制物體的密度相同.當(dāng)2013年南京市中考物理試題問“乙同學(xué)取了質(zhì)量不同的蘋果、小木塊、小鐵球各一個(gè),并分別測出它們的質(zhì)量和重力,來探究物體所受重力大小與質(zhì)量的關(guān)系能否完成實(shí)驗(yàn)”時(shí),很多學(xué)生就認(rèn)為不可以.研究重力和質(zhì)量關(guān)系時(shí),質(zhì)量是自變量,只要質(zhì)量變化就可以了,至于怎么改變質(zhì)量那是另外一個(gè)問題了.根據(jù)m=ρV可以知道,選質(zhì)量不同的物體方法有3種:密度相同改變體積(教材的方法)、密度不同體積相同的物體、體積和密度都不同的物體.當(dāng)然,要使得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論可靠程度更高,除了教材上用鉤碼做實(shí)驗(yàn)以外,還要選很多其他物體進(jìn)行研究.教材只是限于版面和教學(xué)時(shí)間選取了一個(gè)特例,指導(dǎo)我們怎么進(jìn)行研究.

有一位教師讓學(xué)生提出研究影響重力大小的因素,學(xué)生猜想有物體的質(zhì)量、體積和密度,教師說“質(zhì)量和體積容易測量、密度不容易測量,那我們就來研究重力與體積、質(zhì)量的關(guān)系吧!”很明顯邏輯上是說不通的,不能因?yàn)槿菀诇y就研究,不容易測就不研究.況且,質(zhì)量和體積測量出來了,密度自然就可以計(jì)算出來了.學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn),無法用控制變量法研究物體受到的重力與質(zhì)量、體積、密度這3者之間是否有關(guān).原因是猜想的這3個(gè)因素不是相互獨(dú)立的,必須要丟下一個(gè).

如果丟下質(zhì)量,研究重力和密度、體積的關(guān)系,會(huì)得出“物體所受到的重力大小與物體的密度成正比、與物體的體積成正比”;如果丟下密度,研究重力和質(zhì)量、體積的關(guān)系,會(huì)得到“物體所受到的重力大小與物體的質(zhì)量成正比,與物體的體積無關(guān)”.一次得出重力大小與體積成正比(有關(guān)),一次得出重力大小與物體體積無關(guān).根據(jù)矛盾律知道這兩個(gè)結(jié)論不可能都對,根據(jù)排中律知道不可能都錯(cuò)(既不是有關(guān)也不是無關(guān)).要么無關(guān),要么有關(guān)(成正比).問題出在哪里呢?

仔細(xì)研究會(huì)發(fā)現(xiàn),因?yàn)閙=ρV,如果物體所受的重力大小和物體的密度、體積都有關(guān)系,那一定與質(zhì)量有關(guān);如果與密度和體積都沒有關(guān)系,肯定和物體的質(zhì)量也無關(guān);如果物體受到的重力大小只與密度、體積中的一個(gè)因素有關(guān),那物體所受重力大小也和質(zhì)量無關(guān).

所以,在學(xué)生提出物體所受重力大小可能與物體的質(zhì)量、體積、密度有關(guān)時(shí),應(yīng)該先放下質(zhì)量這個(gè)因素,去探究重力與體積、密度的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)“物體所受重力大小與物體的密度和體積都成正比”,自然也就與物體的質(zhì)量成正比.

學(xué)生在提出影響浮力大小的因素的猜想時(shí),會(huì)說出與研究對象有關(guān)的物理量:物體的體積、物體的密度、物體的質(zhì)量、物體的重力.其實(shí),這4個(gè)物理量不是相互獨(dú)立的,如果直接用控制變量法是無法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的.考慮到G=mg,把g當(dāng)作常量,如果浮力大小與物體的質(zhì)量有關(guān),那一定與物體所受重力大小有關(guān).同理,m=ρV,如果浮力大小與物體的體積和密度都有關(guān)系,那一定和物體的質(zhì)量有關(guān)(浮力大小與物體體積和密度都沒有關(guān)系,那一定與物體質(zhì)量無關(guān);浮力大小如果只和物體的密度或者物體的體積有關(guān),浮力大小與物體的質(zhì)量無關(guān),這點(diǎn)難理解).此時(shí)應(yīng)該先把物體的重力和物體的質(zhì)量這兩個(gè)量放在一邊,設(shè)計(jì)兩組實(shí)驗(yàn)分別探究浮力大小與物體的密度、物體的體積是否有關(guān).涉及到液體的物理量,學(xué)生也可能會(huì)提出猜想:液體的體積、液體的密度、液體的質(zhì)量,處理方法同前.最困擾廣大師生的問題是物體浸沒前,所受浮力的大小與物體浸入液體的體積是否有關(guān)?有教師根據(jù)柱形金屬在浸入液體的過程中(浸沒前)觀察到浸入深度增加、彈簧測力計(jì)示數(shù)減小的現(xiàn)象,得出“浸沒前,物體所受浮力大小與浸入深度有關(guān)”;也有教師認(rèn)為柱體金屬浸沒前,隨著深度的增加物體排開液體的體積也在增加,把浸入深度增加當(dāng)作表象、排開液體體積增加當(dāng)作本質(zhì),從而認(rèn)為浮力大小與浸入深度無關(guān);還有教師設(shè)計(jì)出圖1所示中考題的實(shí)驗(yàn)方案來證明第二種觀點(diǎn).

根據(jù)前面的分析知道,在研究一個(gè)物理量與幾個(gè)物理量是否有關(guān)時(shí),提出來的猜想應(yīng)該是相互獨(dú)立的、同一個(gè)層次的物理量.如表5所示,我們知道,可以說物體所受浮力大小與物體排開液體的重力有關(guān)(F浮=G排);也可以說物體所受浮力大小與物體排開的液體質(zhì)量有關(guān)(F浮=m排g);還可以說物體所受浮力大小與物體排開液體的體積和液體的密度有關(guān)(F浮=ρ液V排g);那對于柱形的物體浸沒前,能否說物體所受浮力大小與柱體的橫截面積、浸入深度和液體的密度有關(guān)呢?對于柱形物體來說,浸沒前所受浮力大小可以寫成F浮=ρ液Sh浸g,可以發(fā)現(xiàn)答案是肯定的.因此,2022年某地命制的中考物理試題從邏輯上來說是不合理的,所給答案自然也是錯(cuò)誤的.

表5 影響浮力大小的因素

在研究電流大小與哪些因素有關(guān)時(shí),要分開研究電流與電壓、電流與電阻的關(guān)系.有師生根據(jù)表6的數(shù)據(jù)推理出“當(dāng)導(dǎo)體兩端電壓一定時(shí),導(dǎo)體中通過的電流與導(dǎo)體電阻成反比”的結(jié)論.

表6 研究電流與電阻關(guān)系的數(shù)據(jù)(UR=2 V)

初中學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了一次函數(shù)(含正比例函數(shù))、反比例函數(shù)和二次函數(shù),在I-R直角坐標(biāo)系中通過這3個(gè)點(diǎn)的圖像函數(shù),有可能是反比例函數(shù)(I=2/R),也有可能是一個(gè)二次函數(shù)(令I(lǐng)=aR2+bR+c,把3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入可以解出a、b、c的值).有教師提出,描繪I-(1/R)圖像,發(fā)現(xiàn)是一條過(0,0)點(diǎn)的傾斜直線,從而說明I與1/R成正比,即I與R成反比.從數(shù)學(xué)的角度來說,這只是一種可能,也有一種可能是I與R是一個(gè)二次函數(shù)關(guān)系.要排除學(xué)生已經(jīng)學(xué)過的二次函數(shù)可能,可以增加一次實(shí)驗(yàn),例如15 Ω電阻.但是還有可能是一個(gè)三次函數(shù)圖像,那可以做5次實(shí)驗(yàn)來排除這種可能……物理學(xué)家堅(jiān)信,物理規(guī)律應(yīng)該是遵循簡單性原則的,所以,電流與電阻更有可能是反比例關(guān)系.

在研究電熱與哪些因素有關(guān)時(shí),總有學(xué)生會(huì)提出電流、電壓和電阻3個(gè)猜想,有教師也很困惑,怎么把電壓這個(gè)猜想排除呢?事實(shí)上,對于純電阻電路,研究電熱和任意兩個(gè)物理量的關(guān)系都可以(根據(jù)控制變量的思想,這3個(gè)量不是相互獨(dú)立的,必須要先“放下”一個(gè)).焦耳當(dāng)年在父親的釀酒車間發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)發(fā)熱,他就著手對電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)與電流平方成正比、與電阻成正比.后來在研究純電阻用電器發(fā)熱時(shí),發(fā)現(xiàn)用Q=I2Rt,Q=UIt,Q=U2t/R都可以,為了使得結(jié)論更簡潔,當(dāng)然是把兩種情況進(jìn)行“求同”,用一個(gè)式子Q=I2Rt統(tǒng)領(lǐng)各種情況.

4 理解方法 甄別真?zhèn)?/h2>

教學(xué)中有時(shí)為了解決復(fù)雜的探究過程而采用“化繁為簡”的設(shè)計(jì)方案,例如探究凸透鏡成像性質(zhì)與哪些因素有關(guān)這個(gè)實(shí)驗(yàn),決定凸透鏡成像性質(zhì)的是物距和焦距之間的關(guān)系,可以說影響凸透鏡成像性質(zhì)的有物距和焦距兩個(gè)因素.常見的處理方式有3種,一種是限定物距范圍(分別是大于兩倍焦距、兩倍焦距和一倍焦距之間、一倍焦距以內(nèi)),用同一個(gè)凸透鏡分別做3次實(shí)驗(yàn)找規(guī)律,這種方案最簡單,適合于基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生.第二種是限定成像性質(zhì)(倒立縮小的實(shí)像、倒立放大的實(shí)像),用同一個(gè)凸透鏡分別做幾次實(shí)驗(yàn),對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、概括后推理、論證得出結(jié)論,這種方案適合于中等以上的學(xué)生,在分析論證中對學(xué)生的思維要求很高.第三種設(shè)計(jì)對成像性質(zhì)和物距都沒有限定,給一個(gè)凸透鏡讓學(xué)生進(jìn)行自主探究.這種方案對學(xué)生思維能力要求最高,學(xué)生在完成大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上要進(jìn)行分類,歸納總結(jié)得出結(jié)論.上面每種方案用的都是焦距確定的凸透鏡,但不能認(rèn)為是控制變量法,我們完全可以給每組兩種及以上規(guī)格的凸透鏡來進(jìn)行探究,但是問題就會(huì)變得復(fù)雜.之所以用焦距一定的凸透鏡,是為了降低探究的難度.

“分析”表7的數(shù)據(jù),很多學(xué)生會(huì)直接說出教師喜歡的答案:“成倒立縮小實(shí)像時(shí),物距大于兩倍焦距,像距在一倍焦距和兩倍焦距之間.”事實(shí)上,根據(jù)表格中的數(shù)據(jù),得不出成倒立縮小實(shí)像時(shí)物距大于兩倍焦距(物距也大于2.5f,1.9f…).教學(xué)中,教師要引導(dǎo)學(xué)生如何分析數(shù)據(jù),首先橫著看,有數(shù)感的學(xué)生就會(huì)發(fā)現(xiàn)60比12大,再看第2行、第3行,也有這樣的規(guī)律,于是可以得到“凸透鏡成倒立縮小實(shí)像時(shí),物距比像距大”(結(jié)論1).橫著看(看靜態(tài))完再豎著看(看動(dòng)態(tài)),會(huì)發(fā)現(xiàn)物距從60減小到40、30,像距從12增大到13.3、15,得出“凸透鏡成倒立縮小實(shí)像時(shí),隨著物距的減小,像距在變大”,如果能同時(shí)再豎著觀察像高這一列,又可以補(bǔ)充到“凸透鏡成倒立縮小實(shí)像時(shí),隨著物距的減小,像距在變大,像也在變大”(結(jié)論2).如果還要去找規(guī)律的話,可以把表格中數(shù)據(jù)豎著相減,得到“凸透鏡在成倒立縮小實(shí)像時(shí),隨著物距的減小,像距的變化量小于物距的變化量” (結(jié)論3);表格中數(shù)據(jù)橫著相加,得到“凸透鏡在成倒立縮小實(shí)像時(shí),隨著物距的減小,像和物之間的距離在減小”(結(jié)論3的推論);表格中數(shù)據(jù)橫著相減,得到“凸透鏡在成倒立縮小實(shí)像時(shí),隨著物距的減小,物距與像距的差在減小”(結(jié)論3的推論).但是,無論如何是得不出類似“成倒立縮小實(shí)像時(shí),物距大于兩倍焦距”這樣結(jié)論的.那怎么辦呢?

表7 凸透鏡成倒立縮小實(shí)像實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)焦距f=10 cm 物高h(yuǎn)=6 cm

接著,去研究成倒立放大實(shí)像的情況(如表8所示),可以根據(jù)數(shù)據(jù)得出類似上面的幾個(gè)結(jié)論,然后提出問題:如圖7所示,凸透鏡既然能成倒立縮小的實(shí)像、也能成倒立放大的實(shí)像,那有沒有可能成其他性質(zhì)的實(shí)像呢?如果有,像最有可能在哪兩個(gè)像位置之間?物體最有可能在哪兩個(gè)物體位置之間?通過幾何畫板去找到這樣的位置,最后用焦距不同的凸透鏡去驗(yàn)證,也可以用實(shí)驗(yàn)去不斷試誤找到成倒立等大實(shí)像時(shí)物體和像的位置.

表8 凸透鏡成倒立放大實(shí)像實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)焦距f=10 cm 物高h(yuǎn)=6 cm

圖7 用磁性箭頭表示物體和像

這樣來探究凸透鏡成實(shí)像規(guī)律才是課堂上真正應(yīng)該發(fā)生的過程,也是學(xué)生思維發(fā)展并飛躍的過程.

這樣就可以明顯地發(fā)現(xiàn),在探究凸透鏡成像規(guī)律時(shí),雖然用焦距一定的凸透鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn),但不是為了控制焦距這個(gè)變量,第一種方案限定的是物距范圍、第二種限定的是成像性質(zhì),這都不能叫控制變量法.

在探究杠桿平衡條件的實(shí)驗(yàn)中,蘇科版教材的實(shí)驗(yàn)步驟3是“在下列情況下測量并記錄動(dòng)力F1、動(dòng)力臂l1、阻力F2、阻力臂l2的大小.(1) 保持鉤碼和彈簧測力計(jì)的位置不變,改變鉤碼的數(shù)量;(2) 保持鉤碼的數(shù)量和位置不變,改變彈簧測力計(jì)的位置;(3) 保持彈簧測力計(jì)的位置和鉤碼的數(shù)量不變,改變鉤碼的位置”.有教師認(rèn)為這是控制變量法,每次只改變了一個(gè)物理量,分別是阻力、動(dòng)力臂和阻力臂.事實(shí)上,在第一次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,后續(xù)實(shí)驗(yàn)可以改變動(dòng)力臂、阻力和阻力臂中的1～3個(gè)物理量,記錄動(dòng)力,然后尋找這4個(gè)物理量之間的數(shù)量關(guān)系有什么共同特征.教材上每次只改變一個(gè)物理量,是為了方便實(shí)驗(yàn),不能理解成只能這么做,更不能理解成是因?yàn)樾枰刂谱兞糠ú胖荒苓@么做.

5 學(xué)理論精髓 育優(yōu)秀學(xué)生

高質(zhì)量發(fā)展是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國家的首要任務(wù),提高人才培養(yǎng)質(zhì)量是高質(zhì)量發(fā)展的核心目的和重點(diǎn).要提高人才培養(yǎng)質(zhì)量,必須要有一批高素質(zhì)的教師隊(duì)伍,教師要得到高質(zhì)量發(fā)展.作為中學(xué)物理教師,在探究兩個(gè)事物之間是否有因果聯(lián)系時(shí)一般要用到“穆勒五法”,其中求同法要求相同點(diǎn)只能有一個(gè),求異法要求不同點(diǎn)只能有一個(gè),共變法要求自變量只能有一個(gè).在探究兩個(gè)物理量之間是否有因果聯(lián)系設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)要用到控制變量法,其背后的邏輯依據(jù)是共變法.對可能的影響因素提出猜想時(shí)要保證幾個(gè)不同的猜想是相互獨(dú)立的,是同一個(gè)層次的物理量.不是所有的探究性實(shí)驗(yàn)用到的方法都是控制變量法,例如探究凸透鏡成像規(guī)律和探究杠桿的平衡條件.一線物理教師要深入學(xué)習(xí)《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》,把握科學(xué)思維中的科學(xué)推理和科學(xué)論證的理論精髓,要發(fā)揮邏輯知識(shí)在物理教學(xué)中的應(yīng)有作用,充分發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)的綜合育人功能,為黨和國家培育出更多有理想、有本領(lǐng)、有擔(dān)當(dāng)?shù)臅r(shí)代新人!