從物理實驗談物理思維

唐松

摘 要：物理實驗是物理學發展的基礎，是檢驗物理學理論是否正確的唯一標準，同時也是探究物理規律的重要方法。本文從物理實驗在學生的抽象概括能力、歸納演繹能力和綜合分析能力這三個方面對物理思維的培養分別做了初步的探討。

關鍵詞：物理實驗；物理思維

中圖分類號： G633.7 文獻標識碼： A 文章編號： 1992-7711（2018）02-025-2

所謂物理實驗，是指運用儀器、設備、使物理現象反復出現，從而有目的的進行觀測研究的一種方法。在物理教學中運用實驗的目的就在于給學生學習物理創造一個基本環境，使學生主動獲取物理知識，形成科學的思維方式，提高解決問題的能力。

高中階段學生普遍感覺物理難學，其中主要的原因有兩方面：一是對物理概念，物理規律本身的理解問題；另一方面則是物理思維方面有所欠缺。物理思維能力主要包括抽象概括能力、歸納演繹能力和分析綜合能力，中學生的生理和心理發展等因素決定了他們對物理知識的理解，思維能力還處于初級水平，而物理實驗則可以從這三個方面有效培養學生的物理思維。

一、物理實驗對學生抽象概括能力的培養

1.物理實驗提供符合認識規律的環境

一般來說，學生在學習物理過程中，物理概念的形成和對物理規律的認識，首先必須要有一定的感性認識，這種感性認識一方面來源于他們的生活環境，另一方面則來源于物理實驗提供的物理事實，但通常生活中所觀察的物理現象往往是力、熱、電、光等現象交織在一起，本質和非本質的因素交融在一起，因此通過這種途徑來使學生建立物理概念存在較大的困難甚至是錯誤的。例如，日常生活中常會見到較重的物體下落的比較快，學生結合自身的生活經驗會得出這樣的結論：質量大的物體先落地，這種錯誤的觀點正是忽略了運動過程中所受的空氣阻力的作用，而運用實驗可以忽略空氣在物體運動中的影響，正是因為實驗能夠提供精心選擇的、簡化和純化的素材，所以它能夠使學生對物理事實獲得明確、具體的認識。再如介紹大氣壓時，學生很難感受到大氣壓的存在，而通過馬德堡半球模擬實驗，大氣壓存在的物理事實展現在學生面前，他們對大氣壓的概念理解就比較容易和接受了。

2.物理實驗是培養學生的抽象概括能力的重要手段

在物理學中，抽象思維、概括能力具有十分重要的作用，它不僅是建立物理概念、獲得物理規律、解決物理問題的重要思維方式，而且也是學好物理知識，培養各種能力的重要手段和必要條件。

例如電阻這一概念，學生從實驗中直接取得幾組數據，如何對這些實驗數據進行分析，抽象，概括，形成電阻這一概念呢？首先研究一組數據，得出：對同一導體，加在它兩端的電壓和通過它的電流之比，是一個與電壓、電流無關的恒量R，然后再對照其它幾組數據可以得出同樣的結論，于是可以初步概括如下：每個金屬導體本身都存在一個恒量R，不同的導體具有不同的R值。這時，可以啟發學生類比，同種物質它的質量和體積的比也是一個定值，不同物質的這個恒量也不同，這個恒量表征了物質的一種特性——密度。再讓學生悟出這個不同恒量R也一定表征著導體的某種固有特性，接著引導學生對幾組數據進行比較，可以概括出：在相同電壓下，恒量R大的電流小，恒量R小的電流大，因此R的大小反映了導體對電流的阻礙作用，于是引出電阻這一概念。

二、物理實驗培養學生的歸納和演繹能力

歸納要求先擺事實，后求結論，這是從個別到一般，尋求普遍事物一般規律和特征的認識方法。演繹是先假說，后求證，這是從一般到個別，推論和判斷個別事例的認識方法。

物理中的歸納演繹能力就是要求能夠從已知推導未知，通過大量的物理事實經過推理總結規律，或者先提出猜想和假設，再由物理實驗證實是否正確，這是培養物理思維能力的重要方面。

例如，在“電阻定律”的探究實驗中，首先利用前面所學的知識，通過邏輯推理來探究導體的電阻與導體長度，橫截面積的關系，形成猜想和假設。

1.長度為L，電阻為R的導體，可以看成由n段長度同為L1，電阻為R1的導體串聯而成，這n段導體材料、橫截面積都先同，總長度L=nL1，另一方面，根據串聯電路的性質可知：R=nR1，由此可知： R R1 = L L1 ，即在橫截面積，材料相同的條件下，導體的電阻與長度成正比。

2.有n條電阻絲，它們長度，材料、橫截面積相同。橫截面積為S1，電阻同為R1，把它們束在一起，組成一根橫截面積為S，電阻為R的導體，根據并聯電路的特點：R= R1 n ，又因為S=nS1，由此可知： R R1 = S1 S ，即在長度，材料相同的條件下，導體的電阻和橫截面積成反比。

其次根據實驗要求，設計實驗，驗證假設：R與L，S的定量關系，最后對實驗測量所記錄的數據進行分析，從而形成規律：電阻定律。

再如萬有引力的推導，就是從一般到特殊，再由特殊到一般，這就是演繹和推理。首先利用學生已知的事實，即向心力公式F=mω2r，開普勒行星運動定律r3=kT2，以及牛頓第三定律F=F′，推導出太陽和行星之間的引力規律即F=G m1m2 r2 ，其次假設地球與月球之間的引力及地球與地面上的物體之間引力是本質一樣的力，同樣遵循平方反比的規律，由于月球軌道半徑約為地球半徑的60倍，所以月球軌道上一個物體受到的引力，比它在地面附近受到得引力要小，只有后者的 1 602 。根據牛頓第二定律，物體在月球軌道上的加速度（向心加速度）也應該為它在地面附近加速度（自由落體的加速度）的 1 602 ，通過實測數據證實了太陽與行星之間、地球與月球之間，地球與地面上的物體之間的引力遵循同樣的一個規律，最后在將推論推廣到所有物體之間都存在著這種引力，這種根據實驗事實演繹和推理而獲得的新知識是培養思維能力的重要方法和途徑。

三、物理實驗可以培養學生的分析綜合能力

物理概念、定律和定理不是一個一個孤立的，及時總結整理所學知識、掌握知識的內在聯系使自己頭腦中的知識成為有體系的知識，從整體上把握知識，綜合運用知識去解決實際問題，這也是培養物理思維能力的主要目的。

電學實驗“伏安法測電阻”就是用電壓表測出電阻兩端的電壓U，用電流表測出通過電阻的電流I，再根據歐姆定律R= U I 求出電阻。實際測量中所用電表并非理想電表，電壓表的內阻并非趨近于無窮大、電流表也有內阻，因此實驗測量出的電阻值與真實值不同，存在誤差，這就要求綜合運用已有知識去分析電流表內接和外接這兩種電路的誤差并選用合適的電路進行測量。

由此可見，在學生學習物理的整個過程中，體現了從抽象概括形成物理概念，然后通過歸納演繹建立物理規律，最后通過分析、綜合、比較去解決物理問題這樣一個過程。在整個過程中，物理實驗能夠有效幫助學生學習物理創設環境，使學生主動獲取知識，發展物理思維，提高解決問題的能力，在學習物理的過程中起到了舉足輕重，同時也是不可替代的作用。endprint