論證在初中物理課堂教學(xué)中的應(yīng)用

中圖分類號：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-0333（2025）17-0075-04

論證作為一種邏輯嚴(yán)密的思維方式和表達(dá)方式，在各個學(xué)科中都有著重要的應(yīng)用價值.在初中物理教學(xué)中，論證的應(yīng)用不僅能夠提升教師和學(xué)生的邏輯思維能力，還能增強(qiáng)他們對物理概念和規(guī)律的理解與掌握.文章基于論證視角，對一些常規(guī)初中物理教學(xué)內(nèi)容中存在的問題進(jìn)行論證思考與分析，通過提出創(chuàng)新觀點(diǎn)來豐富教學(xué)內(nèi)涵，最終提升課堂教學(xué)效果.

1 問題提出

初中物理課程內(nèi)容分為物質(zhì)、運(yùn)動與相互作用、能量、實驗探究、跨學(xué)科實踐五個一級主題，其中物質(zhì)、運(yùn)動與相互作用、能量三個主題內(nèi)容主要通過實驗探究進(jìn)行，其結(jié)果采用概念、規(guī)律、定律等形式呈現(xiàn)，以跨學(xué)科實踐途徑培養(yǎng)學(xué)生的物理應(yīng)用能力，建立物理與實踐的聯(lián)系，建構(gòu)出初中物理的“大廈”.在初中物理教學(xué)中，基于論證視角觀察該“大廈”，其中一些“磚塊”存在缺陷，需要重新進(jìn)行分析與認(rèn)識.

2 問題分析

2. 1 飛輪的慣性

現(xiàn)有各種版本初中物理教材中關(guān)于熱機(jī)的內(nèi)容，都有類似的一段話：汽油機(jī)工作的四個沖程中，只有做功沖程中燃?xì)鈱ν庾龉?，其他三個沖程要靠安裝在曲軸上飛輪的慣性來完成[1].基于論證視角，慣性是物體保持靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)，物體的慣性與物體同在，只要物體不變，物體的慣性不變，質(zhì)量越大的物體慣性越大，因此，物體慣性大小只與物體質(zhì)量有關(guān)，與物體運(yùn)動狀態(tài)無關(guān).能量是描述物體做功多少的物理量，物體做功越多，說明物體具有的能量越大.一個物體，它的能量大小隨物體做功多少而變化，做功越多，能量變化越大，但是，在做功過程中，它的質(zhì)量沒有變化，因此它的慣性也沒有變化.

在汽油機(jī)工作的四個沖程中，只有做功沖程的高溫高壓燃?xì)鈱钊龉Γ渌齻€沖程都是活塞對低溫低壓氣體做功，活塞在做功之前必須具有機(jī)械動能，否則活塞無法對外做功.如果飛輪靜止，其機(jī)械動能為零，此時飛輪不能推動曲軸，靜止的曲軸無法推動活塞，但飛輪此時仍然具有大小不變的慣性，因此，飛輪能夠推動活塞不是因為飛輪具有慣性，而是因為飛輪具有機(jī)械動能.

根據(jù)能量守恒定律，活塞的機(jī)械動能要靠飛輪的機(jī)械動能的轉(zhuǎn)移來獲得，如果飛輪具有的機(jī)械動能很小，則轉(zhuǎn)移給活塞的機(jī)械動能很小，活塞做功很少，無法完成一個吸氣沖程，則無法進(jìn)行下一個壓縮沖程.如果飛輪具有的機(jī)械動能足夠大，轉(zhuǎn)移給活塞的機(jī)械動能足夠大，則活塞做功失去一部分機(jī)械動能完成一個吸氣沖程，還有足夠的剩余機(jī)械動能進(jìn)行下一次做功，完成壓縮沖程，活塞第二次失去一部分機(jī)械動能.在做功沖程中，高溫高壓燃?xì)馔苿踊钊?，對活塞做功，燃?xì)馐ゴ蟛糠謨?nèi)能，轉(zhuǎn)化為活塞的機(jī)械動能，活塞獲取這些機(jī)械動能，是由于活塞獲取的機(jī)械動能大小比活塞在吸氣沖程、壓縮沖程中失去的機(jī)械動能大好多倍，結(jié)果活塞做了“投得少，賺得多”的運(yùn)動，活塞把獲取的很少一部分新機(jī)械動能轉(zhuǎn)移給低溫低壓的廢氣完成排氣沖程，剩余大多數(shù)新機(jī)械動能轉(zhuǎn)移給飛輪、齒輪、皮帶、車輪等，繼續(xù)進(jìn)行下一次的工作循環(huán).飛輪在汽油機(jī)中的作用是給汽油機(jī)提供“啟動基金”—初始的機(jī)械動能，一旦汽油機(jī)啟動成功，汽油機(jī)自動會給飛輪存入機(jī)械動能成為“后續(xù)啟動基金”，保障汽油機(jī)的正常工作.盡管此時飛輪具有運(yùn)動的慣性，但沒有機(jī)械動能的飛輪或機(jī)械動能較少的飛輪對汽油機(jī)的工作沖程無用，因此，汽油機(jī)的吸氣、壓縮、排氣沖程“依靠飛輪的慣性來完成”是個錯誤的判斷.

2.2 物態(tài)變化

在論證視角下，每一種物理現(xiàn)象都有其內(nèi)在的因果關(guān)系.在物質(zhì)狀態(tài)教學(xué)中，固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三態(tài)之間的相互變化，教材采用先分后總的方式呈現(xiàn)，通過課本作業(yè)要求學(xué)生以圖1物態(tài)變化框架形式總結(jié)，該總結(jié)存在文字多、括號多、空格多、箭頭復(fù)雜等問題[2].

基于論證視角設(shè)計，以圖2物態(tài)三線形式總結(jié)，其底部的粗線段表示固態(tài)代表冰，中間的波浪線表示液態(tài)代表水，上部的虛線表示氣態(tài)代表水蒸氣， +1 箭頭表示冰熔化為水， +2 箭頭表示水汽化為水蒸氣， +2 兩個箭頭表示蒸發(fā)式汽化、沸騰式汽化， +3 箭頭表示冰升華為水蒸氣．-1箭頭表示水凝固為冰，-2箭頭表示水蒸氣液化為水，-2兩個箭頭表示壓縮式液化、降溫式液化，-3箭頭表示水蒸氣凝華為冰.

物態(tài)變化規(guī)則1：冰不動，水流動，水蒸氣亂飛 看不見.

物態(tài)變化規(guī)則2：上變吸熱，下變放熱.

使用圖2物態(tài)三線時，一圖抵萬言，看三線聯(lián)想水的三態(tài)，將水的三態(tài)及其變化歸類為三條線段，借助物態(tài)變化規(guī)則1、2進(jìn)行推理，即可做出相關(guān)物態(tài)的判斷.

2.2.1 霜如何變來

霜是什么？根據(jù)觀察，霜能夠看得見，能夠用手刮動，能夠堆在一起，能夠豎直附著在樹枝上不流動.利用這些證據(jù)，根據(jù)物態(tài)變化規(guī)則1可以做出判斷：霜不是水蒸氣，霜不是水，霜只能是冰.根據(jù)霜出現(xiàn)在冬季，冬季氣溫在零攝氏度以下，冬季室外沒有水，只有水蒸氣，由此判斷：霜由亂飛看不見的水蒸氣變?yōu)楸纬?對照物態(tài)圖2，判斷霜是凝華變來的，因為水蒸氣在上部、冰在下部，所以凝華這個物態(tài)變化是往下變，根據(jù)物態(tài)變化規(guī)則2，水蒸氣遇冷放熱凝華為霜，來霜時氣溫條件要寒冷.推廣論證：冰箱內(nèi)側(cè)壁出現(xiàn)的冰花是同樣的道理.

2.2.2 “白氣”是什么物態(tài)變化形成的

“白氣”能夠看見，根據(jù)物態(tài)變化規(guī)則1，判斷“白氣”不是水蒸氣.“白氣”能夠飄動，所以“白氣”不是冰，“白氣”是水.參考圖2，“白氣”屬于波浪線，因為“白氣”周圍沒有冰，所以“白氣”只能從水蒸氣變來，由圖2可知“白氣”是水蒸氣降溫液化形成的結(jié)果.水蒸氣在上部，水在下部，出現(xiàn)“白氣\"時天氣雖然寒冷，但形成“白氣”的水蒸氣卻會放熱，所以“白氣”不寒冷.推廣論證：冬天用嘴哈手，手感到熱.

2.3 光的傳播

光源發(fā)出一束光，初中物理課本通過人造實驗情景歸納總結(jié)光的傳播規(guī)律：光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播.聲音的傳播需要介質(zhì)，真空中聲音不能傳播，但是光與聲音不同，聲音傳播是振動形式在介質(zhì)中的傳播，光是振蕩的電磁場在空間里的高速運(yùn)動，聲音依靠介質(zhì)傳播，光不依靠介質(zhì)傳播，光本身可以在沒有介質(zhì)的真空中傳播.“光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播”應(yīng)該修正為“光在真空或同種均勻透明介質(zhì)中沿直線運(yùn)動”為宜.

光從空氣斜射入水中時，在空氣與水的分界處，光原來在空氣中沿直線運(yùn)動，現(xiàn)在進(jìn)入水中，物質(zhì)改變，光的傳播方向發(fā)生改變.常規(guī)教材通過實驗觀察，歸納、總結(jié)出光的折射規(guī)律，此處存在的問題是傳播方向沿哪個方向發(fā)生改變.對這個問題，簡單以實驗現(xiàn)象回答，雖然事實勝于雄辯，但是丟失了師生進(jìn)行科學(xué)推理、論證思考的機(jī)會.如何回答這個問題需要教師開展論證.如圖3所示，小車向前行駛，前邊左、右車輪速度一樣時，小車運(yùn)動方向不變，沿直線運(yùn)動.若左輪比右輪慢，小車改變方向往左線運(yùn)動.若小車右輪比左輪慢，小車改變方向往右線運(yùn)動，總之，小車向車輪慢速的一側(cè)方向偏轉(zhuǎn).同樣道理，把圖4中的入射光AB放大10000倍變成圖5，入射光變成一個“行駛的光小車”.在光的直線傳播中已經(jīng)知道，在圖5中“行駛的光小車”從空氣進(jìn)入水中，物質(zhì)改變，傳播方向改變，光在空氣中傳播快，光在水里傳播慢.“行駛的光小車”車輪 B₁ 首先進(jìn)入水里成為車輪 B₁₁ ，車輪 B₂ 仍然在空氣中，此時車輪 B₁₁ 比車輪 B₂ 慢，結(jié)果“行駛的光小車”沿 B₁₁ 側(cè)方向運(yùn)動，改變了原來的行駛方向，即入射光在空氣和水的界面發(fā)生折射.當(dāng)“行駛的光小車”車輪 B₂ 也進(jìn)入水中后成為車輪 B₂₂ .如圖6，車輪 B₂₂ 與車輪B₁₁ 都在水里，根據(jù)“光在真空或同種均勻透明介質(zhì)中沿直線運(yùn)動”的判斷，車輪 B₂₂ 與車輪 B₁₁ 在水里的速度相同，方向不改變沿直線運(yùn)動，即水中的折射光不再折射.上述論證說明，折射是入射光的 B₁ 側(cè)光首先進(jìn)人水中，運(yùn)動速度變慢，導(dǎo)致折射光向 B₁ 側(cè)偏轉(zhuǎn).

教師讓學(xué)生基于“光在真空或同種均勻透明介質(zhì)中沿直線運(yùn)動”的結(jié)論，通過行駛小車的轉(zhuǎn)向示意圖進(jìn)行類比論證，解釋光的折射現(xiàn)象，能夠訓(xùn)練學(xué)生的論證思維，豐富光的折射教學(xué)設(shè)計途徑.

2.4 阿基米德原理

阿基米德原理揭示出浮力大小與物體排開液體所受重力大小相等，常規(guī)教學(xué)方法是通過實驗探究建構(gòu)，但實驗使用材料多，花費(fèi)時間多，而且從物體受到的浮力大小轉(zhuǎn)移到排開液體受到的重力大小，會導(dǎo)致學(xué)生對實驗結(jié)果將信將疑，降低了可信度[3].基于論證視角，尋找阿基米德原理新的教學(xué)方法，對突破這個問題具有一定的教學(xué)價值.

如圖7，豎直杯中有水，水上面有一個小球，杯底部受到的壓力大小 F 等于杯內(nèi)水的重力大小 G. 當(dāng)小球浸入水中后，如圖8，小球?qū)λ┘迂Q直向下的排水合力 F₁，F(xiàn)₁ 迫使排開的水 G₁ 上升，此時杯底受到的壓力大小 F 等于杯內(nèi)水的重力大小 G 與小球?qū)λ┘迂Q直向下的排水合力 F₁ 的和，即杯底部受到的壓力大小 F 的增加量為 F₁ .根據(jù)水的壓強(qiáng)可以計算出杯底部受到的壓力大小 F 的增加量為G₁ ，因此得到 F₁=G₁ ．因為力的作用是相互的，水對小球施加反作用合力 F₂ ，反作用合力 F₂ 的方向與排水合力 F₁ 的方向相反，反作用合力 F₂ 的大小與排水合力 F₁ 的大小相等，即 F₁=F₂ .因為 F₁ Ω=G₁Ω ，所以 F₂=G₁ .水對小球施加的反作用合力F₂ 就是水對小球的浮力 ，即 ，所以 F_☉ =G₁ .因為小球?qū)λ┘拥呐潘狭?F₁ 方向豎直向下，所以水對小球的力 方向豎直向上.至此得到結(jié)論：浸在水中的小球受到水豎直向上的浮力，浮力的大小等于小球排開水受到的重力大小，即阿基米德原理.本案例中利用簡單事實，根據(jù)力的作用是相互的，通過論證性推理得出阿基米德原理，不僅降低了教學(xué)成本，而且取得了較好的教學(xué)效果.

2.5 杠桿平衡條件

常規(guī)教學(xué)中關(guān)于杠桿平衡條件一節(jié)的教學(xué)設(shè)計是通過學(xué)生分組實驗完成的.實驗中學(xué)生往往選擇整數(shù)力臂值，缺乏說服力，但如果選擇任意力臂值，對彈簧測力計的精度要求太高，測量值存在誤差，導(dǎo)致動力與動力臂的乘積不等于阻力與阻力臂的乘積，實驗難度加大，影響教學(xué)效果.因此，解決這個問題需要通過論證視角尋找途徑[3].

根據(jù)機(jī)械能守恒原理論證這節(jié)教學(xué)是一個新的途徑.如圖9，動力 F₁ 垂直動力臂 OA ，阻力 F₂ 垂直阻力臂OB.動力 F₁ 拉著 OA 沿 S_ν 路徑做功，其大小為 W₁=F₁×S₁ ，阻力 F₂ 拉著 OB 沿 S₂ 路徑做功，由于 F₂ 的方向與 F₁ 的方向相反，其功為負(fù)功，大小為W₂=-F₂×S₂ ，由于杠桿勻速轉(zhuǎn)動，杠桿 AOB 的總機(jī)械能不變，所以 W₁+W₂=0 ，則 F₁×S₁-F₂×S₂ =0 ，即 F₁×S₁=F₂×S₂ 圖9中， ∠1、∠2 所對應(yīng)的弧長 S₁=OA×∠1 ，弧長 S₂=OB×∠2 ，則 F₁×OA ×∠1=F₂×OB×∠2 ，由于對頂角相等，則其對應(yīng)的弧度也相等，即 ∠1=∠2 ，則 F₁×OA=F₂×OB 即動力與動力臂的乘積等于阻力與阻力臂的乘積，這就是杠桿平衡的條件

3 結(jié)束語

初中物理課堂教學(xué)中存在很多具有挑戰(zhàn)性的問題，教師應(yīng)基于論證視角發(fā)現(xiàn)問題，尋找解決的途徑，在學(xué)術(shù)氛圍中開展教學(xué)，長此以往，不僅能夠提升教師的學(xué)術(shù)研究能力，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生的論證能力.文章對飛輪的慣性、物態(tài)變化、光的折射、阿基米德原理、杠桿平衡條件等問題的分析，是論證視角下的教學(xué)應(yīng)用結(jié)果，展現(xiàn)了初中物理課堂教學(xué)中引入論證對提高教學(xué)效果的重要意義.

參考文獻(xiàn)：

[1］閆金鐸.義務(wù)教育教科書：物理九年級全一冊[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2013：20-24.

[2]郭玉英.義務(wù)教育教科書：物理八年級上冊[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2024：35，92.

[3］閆金鐸.義務(wù)教育教科書：物理八年級下冊［M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012：75-79，92 -98.

[責(zé)任編輯：李 璟]