物理概念關(guān)聯(lián)的建構(gòu)

呂銘 孫志兵

摘 要：物理概念關(guān)聯(lián)的建構(gòu)有助于幫助學(xué)生理解物理學(xué)科核心概念。本文以磁感應(yīng)強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)為例，給出了一條基本路徑：1.從分析基本概念的主題劃分；2.分析概念引入時(shí)的類比關(guān)聯(lián)；3.概念定義式的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)。旨在培養(yǎng)學(xué)生物理概念關(guān)聯(lián)建構(gòu)的意識(shí)。

關(guān)鍵詞：物理概念；物理概念關(guān)聯(lián)；磁感應(yīng)強(qiáng)度；電場(chǎng)強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）7-0012-2

在物理學(xué)科知識(shí)體系中，我們可以找到某種關(guān)聯(lián)將不同層次的物理量聯(lián)系起來。從物理學(xué)科主題內(nèi)容來看，可以是同一層次下的共存關(guān)聯(lián)，例如，力和運(yùn)動(dòng)這個(gè)內(nèi)容就可以將力和加速度兩個(gè)概念進(jìn)行關(guān)聯(lián)；也可以是不同層次下的關(guān)聯(lián)，例如，靜電場(chǎng)主題下的電場(chǎng)強(qiáng)度概念與磁感應(yīng)強(qiáng)度概念的關(guān)聯(lián)。從概念引入來看，可以是概念之間存在相似的因果關(guān)聯(lián)，例如，從水壓引入電壓概念。從概念定義方法來看，可以是概念之間存在相似的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)，例如，密度、電阻、電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度等。從概念分析來看，可以是概念之間存在類比關(guān)聯(lián)，例如，質(zhì)量、電感、電容三者之間，質(zhì)量反映運(yùn)動(dòng)慣性，電容反映電路慣性，電感反映磁路慣性。

其實(shí)，物理概念的關(guān)聯(lián)既依賴于客觀事實(shí)，也依賴于人的認(rèn)識(shí)水平，這也說明了一線教師需要進(jìn)一步研究這種關(guān)聯(lián)的必要性。

一個(gè)物理概念與其他物理概念關(guān)聯(lián)的角度越多，關(guān)聯(lián)的方式越多，關(guān)聯(lián)次數(shù)越多，學(xué)生對(duì)概念的認(rèn)識(shí)就越容易從點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)向面狀結(jié)構(gòu)甚至向體狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，這種關(guān)聯(lián)下的轉(zhuǎn)化有助于學(xué)生對(duì)物理學(xué)科核心概念的理解。教師在思考各種可能的關(guān)聯(lián)時(shí)，從認(rèn)識(shí)教材的層面上說有利于教師對(duì)教材所展示的文本資源進(jìn)行整合；從認(rèn)識(shí)物理概念形成過程的層面上來說，有利于教師把握其思想脈絡(luò)，認(rèn)識(shí)其思維過程，幫助學(xué)生將這些思想和思維方法內(nèi)化成思維習(xí)慣；在認(rèn)識(shí)物理概念的內(nèi)涵與廣延的過程中，教師可以發(fā)現(xiàn)概念建立的區(qū)別與聯(lián)系。接下來筆者就以電場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)聯(lián)為例，說一下物理概念關(guān)聯(lián)建構(gòu)的路徑。

1 分析兩個(gè)基本概念的主題劃分

如圖1所示，是對(duì)靜電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)相關(guān)概念的主題劃分。

知道場(chǎng)是一種看不見摸不著的彌漫在空間的物質(zhì)，場(chǎng)對(duì)放置在場(chǎng)中的物體有相對(duì)應(yīng)的力的作用，那么電場(chǎng)與磁場(chǎng)也應(yīng)該具備了這樣的基本特征。在已經(jīng)分析兩個(gè)基本概念的主題劃分的基礎(chǔ)上抓住概念的基本特征進(jìn)入下一個(gè)關(guān)聯(lián)建構(gòu)。

2 分析概念引入時(shí)的類比關(guān)聯(lián)

2.1 定性分析到定量定律研究的橋梁

研究電場(chǎng)時(shí)，為了使抽象的電場(chǎng)特性從電現(xiàn)象中凸顯出來，我們轉(zhuǎn)變視角將電現(xiàn)象更直觀地看成力現(xiàn)象。這種思維上的操作，把原本只能定性描述的問題朝著定量化的方向發(fā)展。從類比關(guān)聯(lián)的角度而言，通過對(duì)力現(xiàn)象的定量描述也能凸顯磁場(chǎng)特性。

2.2 定量描述電場(chǎng)和磁場(chǎng)特性的方式

在電場(chǎng)中我們放入一個(gè)被量化的受力對(duì)象：檢驗(yàn)電荷q1，對(duì)應(yīng)受力為F1 ；在電場(chǎng)中的同一位置放入檢驗(yàn)電荷2q1，對(duì)應(yīng)受力為2F1；在電場(chǎng)中的同一位置放入檢驗(yàn)電荷3q1，對(duì)應(yīng)受力為3F1.......這樣我們就能夠明確電場(chǎng)力的大小和方向，并發(fā)現(xiàn)了某種規(guī)律。

在磁場(chǎng)中，我們也應(yīng)該去找一個(gè)能夠被量化的受力對(duì)象——“檢驗(yàn)磁荷”?？墒?，目前看來磁單極子并不存在，所以類比關(guān)聯(lián)下能夠找到的對(duì)應(yīng)，實(shí)際情況下還需要事實(shí)去支撐。筆者認(rèn)為，有一點(diǎn)要堅(jiān)持的是需要繼續(xù)尋找能夠被量化的受力對(duì)象。尋找的依據(jù)應(yīng)該是能夠在磁場(chǎng)中受到磁場(chǎng)力作用的物體。磁場(chǎng)對(duì)磁體有作用力，磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線有作用力。根據(jù)導(dǎo)線長(zhǎng)度可以被量化，電流強(qiáng)度可以被量化，所以我們選擇通電導(dǎo)線作為受力對(duì)象。

3 概念定義式的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)

通過上面的說明，引入電場(chǎng)強(qiáng)度E，是以庫侖定律作為出發(fā)點(diǎn)的。從概念引入時(shí)的類比關(guān)聯(lián)可知：被量化的電流元應(yīng)該和檢驗(yàn)電荷地位等價(jià)。所以，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的定義式也應(yīng)該從電流元的相互作用作為基本的出發(fā)點(diǎn)。具體的推導(dǎo)過程可參見趙凱華和陳熙謀所著的《新概念物理教程電磁學(xué)》[1]，筆者在此不再論述。

總之，在物理教學(xué)中，教師需要有意識(shí)地通過上述路徑來建立概念之間的關(guān)聯(lián)，這樣既能從不同層次認(rèn)識(shí)概念的內(nèi)涵，也能幫助學(xué)生逐步養(yǎng)成物理概念關(guān)聯(lián)類比的意識(shí)，這對(duì)于我們教學(xué)效果的達(dá)成也應(yīng)該是十分有益的。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙凱華，陳熙謀.新概念物理教程電磁學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2002.

（欄目編輯 趙保鋼）