實(shí)驗(yàn)教學(xué)在物理正負(fù)號(hào)教學(xué)中的作用

楊翠云

（桂林師范高等專(zhuān)科學(xué)校物理與工程技術(shù)系,廣西桂林 541001）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在物理正負(fù)號(hào)教學(xué)中的作用

楊翠云

（桂林師范高等專(zhuān)科學(xué)校物理與工程技術(shù)系,廣西桂林 541001）

物理學(xué)中使用了很多需要使用正負(fù)號(hào)的物理量，在高職高專(zhuān)層次教學(xué)中，不少學(xué)生對(duì)正負(fù)號(hào)的使用感到困難，文章以光學(xué)課程中正負(fù)號(hào)的使用為例，介紹理論教學(xué)輔以實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以消除學(xué)生在使用正負(fù)號(hào)時(shí)模糊不清的做法，從而幫助他們建立正確使用正負(fù)號(hào)的信心和方法。

物理；正負(fù)號(hào)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

正負(fù)號(hào)在物理學(xué)中具有非常的意義，遠(yuǎn)比數(shù)學(xué)中表示正數(shù)和負(fù)數(shù)要復(fù)雜。物理量有矢量和標(biāo)量，但不管是矢量還是標(biāo)量，都廣泛使用正負(fù)號(hào)表示物理量所處的兩種具有相反（或?qū)αⅲ┮饬x的狀態(tài)、過(guò)程或物理量變化的方向等。如，在研究物體沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)情況下，正負(fù)號(hào)可以表示位移，速度，加速度的方向；在研究電路時(shí)，正負(fù)號(hào)可以表示電流的兩種流向，電勢(shì)的升高和降低；在研究功和能時(shí)，正負(fù)號(hào)可以表示力作了正功還是負(fù)功，系統(tǒng)的能量是增加還是減少；正負(fù)號(hào)還表示帶電體不同的帶電狀態(tài)等等?？梢?jiàn)，學(xué)會(huì)正確使用正負(fù)號(hào)，對(duì)物理概念和物理規(guī)律的掌握有非常重要的作用，同時(shí)也關(guān)乎學(xué)生能否正確解答物理習(xí)題。關(guān)于正負(fù)號(hào)的意義和使用已經(jīng)引起很多中學(xué)物理教師和大學(xué)物理教師的高度關(guān)注。[1-7]大部分教師關(guān)注了物理量正負(fù)號(hào)的意義和分類(lèi)，以及在解答物理題時(shí)如何正確使用正負(fù)號(hào)，他們的教學(xué)也幾乎圍繞這些方面展開(kāi)，如陳永平在文獻(xiàn)[5]中明確提出“正負(fù)號(hào)使用從正負(fù)號(hào)的意義、正負(fù)號(hào)的表達(dá)式和正負(fù)號(hào)的運(yùn)用三個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)是有效的”。但是從實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行正負(fù)號(hào)的教學(xué)，未見(jiàn)有學(xué)者提及。因此，本文從正負(fù)號(hào)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)入手，嘗試從實(shí)驗(yàn)的角度解決教學(xué)過(guò)程中“物理量的正負(fù)號(hào)”這一教學(xué)難點(diǎn)。

要掌握正負(fù)號(hào)的用法，對(duì)于基礎(chǔ)好的學(xué)生，不是困難的事情，但是對(duì)于處于高職高專(zhuān)層次的學(xué)生，盡管老師做了很多的示范，講了很多的例子，他們還是感覺(jué)很難。對(duì)于這部分學(xué)生，采用常規(guī)的課堂教學(xué)，收效甚微。由于高職院校的學(xué)生大部分理科基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，如何讓他們掌握正負(fù)號(hào)的使用方法，是很多高職院校物理教師關(guān)注的話(huà)題。本文以光學(xué)課程為例提出采用實(shí)驗(yàn)教學(xué)解決這一問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室里做實(shí)驗(yàn)，親自測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算數(shù)據(jù)，體會(huì)到如果沒(méi)有給數(shù)據(jù)加上正確的正負(fù)號(hào)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值根本不吻合，從而迫使他們給數(shù)據(jù)加上正負(fù)號(hào)。通過(guò)這樣的練習(xí)，使學(xué)生建立正確的正負(fù)號(hào)的概念，加深他們對(duì)正負(fù)號(hào)的理解，從而真正體會(huì)到給物理量規(guī)定正負(fù)的原則和方法和使用正負(fù)號(hào)的重要性。

一、使用正負(fù)號(hào)的條件

學(xué)生最早見(jiàn)到正負(fù)號(hào)是在數(shù)學(xué)課中介紹正數(shù)，負(fù)數(shù)時(shí)，認(rèn)識(shí)到數(shù)有正，有負(fù)，正和負(fù)的分界點(diǎn)是零，數(shù)軸上正數(shù)和負(fù)數(shù)分居在零的兩側(cè)，他們具有對(duì)立或相反的性質(zhì)。在物理學(xué)里有很多物理量也具有對(duì)立的性質(zhì)或處于相反的兩種狀態(tài)，因此物理學(xué)中同樣是采用正負(fù)號(hào)標(biāo)識(shí)物理量所處的兩種狀態(tài)。例如外力對(duì)系統(tǒng)做功，有正功和負(fù)功，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)能量變化是相反的，外力做了正功表示系統(tǒng)能量的增加，外力做了負(fù)功表示系統(tǒng)能量的減少。

幾何光學(xué)里同樣有不少具有相反狀態(tài)的物理量，為使用正負(fù)號(hào)提供了很多“機(jī)會(huì)”。這樣的物理量有：橫向放大率，正負(fù)對(duì)應(yīng)像的實(shí)和虛，正立和倒立，像方焦距正負(fù)對(duì)應(yīng)凸透鏡和凹透鏡，曲率半徑正負(fù)對(duì)應(yīng)凸球面和凹球面，物距和像距正負(fù)對(duì)應(yīng)物或像是在光學(xué)系統(tǒng)的前方或后方（從光的行進(jìn)方向看），角度正負(fù)對(duì)應(yīng)的是從法線(xiàn)或主光軸逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)和順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)所成的角等。幾何光學(xué)里的公式各物理量都為代數(shù)量，因此在幾何光學(xué)里只有正確地使用正負(fù)號(hào)才能很好地理解光學(xué)系統(tǒng)的成像性質(zhì)和進(jìn)行正確計(jì)算。

二、理論課和實(shí)驗(yàn)課融合

目前高職類(lèi)院校的實(shí)踐課時(shí)幾乎占到了全部課時(shí)的一半，學(xué)校很注重學(xué)生在實(shí)踐中通過(guò)動(dòng)手操作，掌握今后工作中的必要的工作技能，強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)夠用就好，所以作為教師要充分發(fā)揮實(shí)踐教學(xué)的優(yōu)勢(shì)。由于各高校理論課采用的教學(xué)法多為講授法，雖然教師花了不少的時(shí)間和精力做了大量的多媒體課件來(lái)輔助教學(xué)，希望學(xué)生對(duì)關(guān)鍵的物理知識(shí)能夠正確理解和掌握，但往往事與愿違，學(xué)生聽(tīng)課的效率不高，即使再同時(shí)輔以相應(yīng)的課堂練習(xí)，希望他們能夠鞏固提高，發(fā)現(xiàn)仍然效果不好。理論教學(xué)提不起學(xué)生的興趣，那就轉(zhuǎn)到實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，從實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中找到解決問(wèn)題的突破口。雖然實(shí)踐課提倡的是學(xué)生的動(dòng)手能力，把理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐的能力，但它反過(guò)來(lái)也會(huì)促進(jìn)對(duì)理論的理解以及對(duì)理論學(xué)習(xí)提出更高的要求。下面以我校綜合理科的學(xué)生為例，談?wù)剬?shí)踐教學(xué)中如何實(shí)施正負(fù)號(hào)的教學(xué)。

14級(jí)綜合理科是我校化學(xué)與藥學(xué)系的一個(gè)班，在大學(xué)二年級(jí)下學(xué)期時(shí)開(kāi)設(shè)有基礎(chǔ)物理和基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課，這樣的課程設(shè)置使得實(shí)驗(yàn)和理論課可以在同一學(xué)期進(jìn)行，為理論課和實(shí)驗(yàn)課教學(xué)可以互為補(bǔ)充提供了條件。

在該班的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，開(kāi)設(shè)了測(cè)量薄透鏡的焦距這一基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。薄透鏡是光學(xué)儀器中的基本元件，分為凸透鏡和凹透鏡兩種。透鏡的一個(gè)主要參數(shù)是焦距，常用的測(cè)量方法就有三種。在實(shí)驗(yàn)里，要求學(xué)生使用以下兩種方法測(cè)量凸透鏡的焦距。[8]

方法1：物距，像距法

通過(guò)測(cè)量凸透鏡成像時(shí)的物距S和像距S'，如圖1，根據(jù)高斯公式

算出焦距。該公式使用的符號(hào)法則規(guī)定為：距離從透鏡光心量起，與光線(xiàn)行進(jìn)方向一致時(shí)取正，反之取負(fù)。如圖1，S取負(fù)，S'取正，凸透鏡的像方聚焦取正，凹透鏡的像方焦距取負(fù)。

圖1 物距、像距法測(cè)凸透鏡的焦距

圖2 兩次成像法測(cè)凸透鏡的焦距

方法2：兩次成像法，如圖2。物和像屏（白屏）之間的距離D滿(mǎn)足D＞4f＇，并保持不變。凸透鏡置于物和白屏之間，移動(dòng)透鏡可以得到兩次清晰的像——放大倒立實(shí)像和縮小倒立實(shí)像。分別記錄兩次成像時(shí)凸透鏡所在的位置1和位置2，測(cè)出凸透鏡兩次的位置之間的d以及物和白屏之間的距離D，就可以根據(jù)式（2）算出焦距f。

本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生使用兩種方法測(cè)量同一凸透鏡的焦距。

在實(shí)驗(yàn)課上，可以發(fā)現(xiàn)同學(xué)們?cè)谧鰧?shí)驗(yàn)時(shí)都可以找得到凸透鏡成的倒立的實(shí)像，正確測(cè)量物體到凸透鏡的距離以及像到凸透鏡的距離，把它正確填入數(shù)據(jù)表。大部分同學(xué)，根據(jù)方法1測(cè)量，算出的凸透鏡的像方焦距為25.70厘米，根據(jù)方法2測(cè)量，算出凸透鏡的像方焦距為9.70厘米，結(jié)果差距很大。老師在檢查數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)檢查他們的計(jì)算過(guò)程，發(fā)現(xiàn)這部分同學(xué)都未能正確使用符號(hào)法則。這時(shí)老師再對(duì)符號(hào)法則進(jìn)行詳細(xì)的講解，讓他們重新計(jì)算，就會(huì)得到與方法2相符合的結(jié)果。經(jīng)過(guò)這樣的學(xué)習(xí)過(guò)程，學(xué)生對(duì)正負(fù)號(hào)的使用就有親身的體驗(yàn)，知道某些物理量是要代入正負(fù)號(hào)的，否則會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果，這樣就加深了他們對(duì)正負(fù)號(hào)的感性認(rèn)識(shí)，知道正負(fù)號(hào)在計(jì)算時(shí)一定要根據(jù)規(guī)則來(lái)寫(xiě)。當(dāng)學(xué)生在光學(xué)課上學(xué)習(xí)幾何光學(xué)時(shí)，再講到符號(hào)法則時(shí)，同學(xué)們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)課中學(xué)習(xí)過(guò)，因此很快就能夠正確的在物理量前加上正確的正負(fù)號(hào)進(jìn)行計(jì)算。課程結(jié)束時(shí)，在期末考試試卷我用了一題幾何光學(xué)題，計(jì)算過(guò)程中學(xué)生用對(duì)符號(hào)才可以算出正確的答案，結(jié)果這道題得分率相當(dāng)高，說(shuō)明大部分同學(xué)已經(jīng)掌握了光學(xué)中正負(fù)號(hào)的使用方法。

而作為對(duì)照的班級(jí)，物理教育專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，光學(xué)課程和光學(xué)實(shí)驗(yàn)是分別在不同的學(xué)期開(kāi)設(shè)，即先開(kāi)設(shè)理論課，再開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)課，雖然在上課時(shí)強(qiáng)調(diào)關(guān)于正負(fù)號(hào)的符號(hào)法則，但是不少同學(xué)仍然是忽視正號(hào)和負(fù)號(hào)的存在，不能正確使用正負(fù)號(hào)代入公式進(jìn)行計(jì)算，這可能與學(xué)生在中學(xué)的習(xí)慣有關(guān)，也可能與學(xué)生在大學(xué)里對(duì)學(xué)業(yè)要求不高，學(xué)習(xí)積極性降低有關(guān)。因此在期末考試試卷上也有一道幾何光學(xué)題，但是他們的得分明顯沒(méi)有綜合理科班好。

三、結(jié)論

關(guān)于物理量正負(fù)號(hào)的教學(xué)一直是物理教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)，正負(fù)號(hào)的含義是正確掌握物理知識(shí)、定律的基礎(chǔ)，有助于學(xué)生進(jìn)一步理解物理概念和物理規(guī)律。在教學(xué)過(guò)程中，教師常發(fā)現(xiàn)不少學(xué)生存在“到底該用正號(hào)還是負(fù)號(hào)才會(huì)使計(jì)算結(jié)果正確”這類(lèi)問(wèn)題，作為教師大多數(shù)情況都是分析物理量的含義，正負(fù)號(hào)的意義，用法，及在例題中演示如何正確使用正負(fù)號(hào)進(jìn)行計(jì)算，希望學(xué)生能夠掌握正負(fù)號(hào)的意義和使用法則，但由于這些操作都是學(xué)生和老師在理論課上完成，學(xué)生缺少直觀(guān)的認(rèn)識(shí)，在部分學(xué)生中的教學(xué)效果不是很好。而本文嘗試用實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)解決這一問(wèn)題，收效明顯。通過(guò)在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，學(xué)生不但學(xué)會(huì)了正確使用正負(fù)號(hào)，還學(xué)會(huì)了正確的實(shí)驗(yàn)方法，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和觀(guān)察能力，這樣的教學(xué)也符合高職高專(zhuān)院校實(shí)訓(xùn)實(shí)踐課占到總教學(xué)學(xué)時(shí)接近一半的實(shí)際，充分發(fā)揮了教學(xué)優(yōu)勢(shì)。因此該教學(xué)方法有一定的借鑒意義。

[1]林中鋒.高中物理矢量和標(biāo)量中的正負(fù)號(hào)含義[J].科技風(fēng), 2013（12）：96-97.

[2]李霞.試論物理學(xué)中正負(fù)號(hào)的含義及其處理[J].伊犁師范學(xué)院學(xué)報(bào),2006（9）：61-62.

[3]王述發(fā).高中物理中的正負(fù)號(hào)問(wèn)題[J].新課程學(xué)習(xí)(中), 2011（11）：97.

[4]張耀建.物理教學(xué)中物理量正負(fù)號(hào)的分類(lèi)淺析[J].數(shù)理化解題研究(高中版),2013（1）：44.

[5]陳永平.高中物理正負(fù)號(hào)使用的教學(xué)實(shí)踐[J].中小學(xué)電教(下),2010（7）：92.

[6]馬鳳歧.正確認(rèn)識(shí)中學(xué)物理中的正、負(fù)號(hào)[J].教師,2010（3）：118.

[7]馮艷.物理量的正負(fù)號(hào)及其處理方法[J].中學(xué)生數(shù)理化(教與學(xué)),2013（8）：77.

[8]覃以威主編.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(Ⅰ)[M].桂林:廣西師范大學(xué)出版社,2010.

The Role of Experimental Teaching in Positive and Negative Signs Teaching in Physics

Yang Cuiyun
(Department of Physics and Engineering Technology,Guilin Normal College,Guilin,Guangxi 541001,China)

Positive and negative signs are to be used in physical quantities.In vocational colleges,however,many students feel it difficult to use the positive and negative signs properly.In this paper,a method is introduced to solve this problem,that is,experimental teaching, which is used as an supplementary to theoretical teaching in the practice of positive and negative signs teaching in optics course,and it shows that this method can eliminate effectively the confusion of students in the practice of positive and negative signs,and help students to establish confidence in using them correctly.

physics;positive and negative signs;experimental teaching

041

A

1001-7070（2016）06-0120-03

（責(zé)任編輯：楊建香）

2016-09-25

桂林師范高等專(zhuān)科學(xué)校光學(xué)精品課程（項(xiàng)目編號(hào):XJJP201409）。

楊翠云（1972-）,女,廣西桂林人,桂林師范高等專(zhuān)科學(xué)校物理與工程技術(shù)系講師,主要從事物理教學(xué)和理論物理的研究。