巧用比值法培養學生的科學思維能力

嚴桂華

(江蘇省溧水高級中學附屬初級中學,江蘇 南京 211200)

《義務教育物理課程標準(2011年版)》指出：物理學不僅含有人類探索大自然的知識成果，而且含有探索者的科學思想、科學方法、科學態度和科學精神等。初中生通過學習物理，其科學思維能力會得到培養，能更好地解決新問題。比值在物理概念、規律中經常出現，在初中物理教學中運用比值法比較物理量大小、發現物理規律，將會更好地幫助學生理解所學物理知識，培養他們的科學思維能力。

1 運用比值法比較物理量大小

在蘇科版初中物理教材中，許多定義都運用了比值法，如速度、壓強、比熱容、功率等，現以“速度”一節的教學為例進行說明。

在教學中，教師先指出速度是描述物體運動快慢的物理量，進而開始速度公式的探索過程。

師：兩位同學正在賽跑，作為觀眾，你如何比較兩位同學跑步的快慢？

生：相同時間比路程，路程大的同學跑得快。

師：作為裁判，他如何比較兩位同學跑步的快慢？

生：相同路程比時間，用時短的同學跑得快。

師：現在有兩位同學賽跑，一位同學在2s內跑了14m，另一位同學在3s內跑了24m，誰快誰慢？

此時學生會想到用路程除以時間，前者結果為7m/s，后者結果為8m/s，后者快。

教師追問：那么7m/s和8m/s分別表示什么？

生：前者表示一位同學用時1秒跑了7米，后者表示另一位同學用時1秒跑了8米，所以第二位同學快。

教師總結：也就是在解決這種問題時可以轉化為采用哪種方法？

生：相同時間比路程。

師：怎么轉化的？

生：用路程除以時間。

教師板書“比值”，指出：它越大，表明該同學跑得越快，我們把這個比值叫做速度。

此時，自然提出了速度的定義。

師：剛剛我們是如何把不同時間轉化為相同時間的？

生：除以時間。

師：除以時間后便轉化成了相同的時間。那么在其他的情境中，我們也可以采用類似的方法，把不同的量轉化成相同的量，只要除以對應的量，從而統一標準，就能得出比值，進行比較，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定義，比較符合學生的認知特點，以下以“壓強”的教學為例予以說明。首先引導學生進行實驗探究，得出壓力的作用效果與壓力大小、受力面積的關系：當受力面積相同時，壓力越大，作用效果越明顯；當壓力相同時，受力面積越小，作用效果越明顯。

接下來引導學生運用這一結論分析3道題目。

題1：甲、乙兩個物體平放在地面上，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，那么誰對地面的作用效果更明顯呢？

學生根據實驗結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，所以答案是甲同學對地面的作用效果更明顯。

題2：甲、丙兩個物體平放在地面上，它們的重力都是10N，但甲與地面的接觸面積有10cm2，而丙有50cm2，那么誰對地面的作用效果更明顯呢？

學生很快發現：相同壓力比面積，面積越小，作用效果越明顯，甲物體對地面的作用效果更明顯。

題3：乙、丙兩個物體平放在地面上，乙重4N，丙重10N，乙與地面接觸面積是10cm2，丙是50cm2，那么誰對地面的作用效果更明顯呢？

教師提問：面積、壓力均不同，如何比較兩者對地面的作用效果呢？

在學生思考后，教師可以引導學生回憶“速度”知識，時間、路程均不同時如何比較運動快慢？學生會想到運用比值法。思維快的學生會提出：用壓力除以受力面積，思考慢的學生不妨給他們時間重復計算比值：對于乙物體，4N除以10cm2等于0.4N/cm2，丙物體呢？10N除以50cm2等于0.2N/cm2。所以，乙物體對地面的作用效果更明顯。在此基礎上教師引出比值，給出壓強的定義。

這兩個教學片斷都是運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、同異綜合的過程中分析、比較。教師應重點強調該方法的核心：先要比，就是除，通過除的方法，把不同的量轉化成相同的量，從而能統一標準；比之后得到一個值，我們再對該值進行比較即可。而在這一過程中學生學會的不僅僅是速度的定義，也學會了比較物理量大小的方法。

2 運用比值法發現規律

在研究物理問題時，常會遇到這樣的情況：某兩個(或幾個)量在一定條件下成正比，其比值是一個常量，這個常量正好反映了事物的本質屬性。因此，利用這個比值可以對描寫事物本質屬性的概念下定義。運用比值法發現規律的方法正是基于這一認識，下面是筆者在“密度”教學中，運用比值法尋找物質特性方面的規律，從而引出密度的定義。

首先學生由生活經驗進行猜想與假設，對于一枚、兩枚……相同的硬幣，硬幣的枚數增大幾倍，質量也相應地增大幾倍。由于一枚硬幣的體積一定，因此我們可以推測：質量與體積可能成正比。那么，由其他物質組成的物體，質量與體積是否也滿足這種關系呢？

學生進行小組合作，每個小組選擇兩種不同的物質(如鐵和塑料、銅和鋁等)，每種物質各選三個體積不等的長方體。學生用天平測量物體的質量，用刻度尺測量、計算物體的體積，并將測得的數據記錄在表格中。學生根據測得的實驗數據，對以下問題進行交流與討論：

(1) 同種物質構成的不同物體，質量與體積的比值是否相等？質量與體積成正比嗎？

(2) 不同物質構成的物體，質量與體積的比值是否相等？

在探究、討論的基礎上，學生發現了其中的規律：同種物質構成的不同物體，質量與體積的比值為定值；不同物質構成的物體，質量與體積的比值一般不相等。物體質量與體積之比反映了組成該物體的物質所特有的性質。在此基礎上，引出了密度的定義。

在運用比值法尋找規律的過程中，學生發現了新的定義，更重要的是學生學會了研究問題的方法。

3 運用比值法概括規律

歐姆定律因涉及電壓、電流、電阻3個概念的定量關系，是教學的難點，在這節課前，學生已經了解這3個概念，“歐姆定律”的教學是對這3個概念關系的“收網”，故而對學生的思維要求較高。在理解教材的基礎上，運用比值法，概括出歐姆定律將變得順理成章。

筆者在課堂上設計表格，將學生探究得出的電壓、電流、電阻數據填入，學生很快會概括出其中的規律：電壓與電流的比值大小等于電阻的大小，進而引入相關公式便顯得水到渠成。

4 比值法的巧妙運用

“比熱容”也是初中物理教學的難點，如果教師巧用比值法，將會有種柳暗花明的感覺。

在實驗中換用不同質量的水，仍用原來的酒精燈加熱，具體操作過程如下:增加一組器材，加熱的仍然是水，但燒杯內水的質量是原來燒杯內水質量的2倍，實驗數據如表1。

表1

首先，對水與沙子的數據進行比較，得到結論：質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；再推廣這一結論：不同物質在質量相等、升高溫度相同的條件下，吸收的熱量一般不相等。

其次，對水的兩組實驗數據進行分析：(1) 單獨分析表2中第2組數據，在0-2 min內水的溫度升高16 ℃,在0-4 min內水的溫度升髙31 ℃，若控制水的質量不變，加熱時間變成原來的2倍，則水升髙的溫度大約也變成原來的2倍。(2) 再比較第2組和第3組前2 min的數據，控制加熱時間相同，即吸收熱量相同，水的質量變為原來的一半，而升高的溫度大約變為原來的2倍。

綜合分析，得出結論：同種物質吸收的熱量與它的質量和升高溫度的乘積之比相等,即該比值描述了物質的一種物理屬性，其大小與物體的質量大小、吸收熱量的多少、溫度變化的大小無關。在此基礎上，可以引導學生對第1、2組數據進行分析，可得出結論:不同物質吸收的熱量與它的質量和升高溫度的乘積之比不等。正如我們發現同種物質的比值為定值而引入“密度”來描述這種特性一樣，也引入一個新的物理量——比熱容c來描述今天的發現。

教師在教學中巧用比值法，引導學生自主建構物理概念、總結物理規律，將有益于學生科學思維能力的提升。