巧用比值法培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力

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。