中学教学全书物理卷（下）.pdf

中学教学全书 物理卷(下)教学方法观察人们通过感官或借助仪器，有计划、有目的地对客观事物进行系 统考察和描述，这就是科学观察的方法观察是人们认识自然的最基本的方法，是获得感知、为建立科学 理论提供原始资料的重要途径和手段说明：(1)有明确的研究对象和观察目的如英国物理学家法拉第花 了整整10年时间寻找“转磁为电”，终于观察到了当把磁铁插入绕 有线圈的空心纸筒时，和线圈连接的电流计指针发生了摆动，由此发 现了电磁感应现象2)综合运用感官，并借助科学仪器考察研究对象例如观察 回音声波的反射及其产生条件，要凭听觉和视觉观察钟表显 示的时间差或测量声源和反射物间的距离利用超声波进行水下目标探测时需借助仪器声呐,且凭借听觉同时观察荧光屏上显示的回 波信号来确定水下目标的位置3)力求全面地把握研究对象的各种属性，并以科学理论判断 和理解观察的结果例如英国植物学家布朗在显微镜下观察到悬浮在 水中的花粉粒子和无生命的煤烟粒子的不规则运动，但未能正确地解 释其原因人们在重复的观察中还发现粒子越小、温度越高，粒子不 规则运动的程度越明显随着分子运动论的发展，人们才认识到粒子 的不规则运动是它们受到来自各个方向的液体分子的碰撞不平衡所 引起的。

4)系统地、全面地、如实地考察自然事物，准确而周密地记 录事实，并加以统计和概括，为揭露事物和自然现象的本质及其规律 提供科学依据例如德国天文学家开普勒在丹麦天文学家第谷积累的 30多年的高度精确的大量天体观测资料的基础上，对火星轨道进行 周密计算与长期观测，摒弃了哥白尼提出的行星沿圆轨道运行的假 定，提出了行星沿椭圆轨道绕太阳运行等著名的行星三大运动定律测量从量的方面对事物进行考察的一种研究方法，是量的观察其目 的在于深刻地、精确地把握事物的质的特征及其数量关系物理学中要研究事物的规律性，就需要对各种物理量，如长度、质量、时间、温度、电流强度、发光强度，进行考察和测量说明：(1)要有一个统一的标准1 9 7 1年 第1 4届国际计量大会在1 9 6 0 年通过的国际单位制(S I)的基础上，决定采用7个基本单位：长度 单位米，质量单位千克，时间单位秒，热力学温度单位开尔文，电流 强度单位安培，物质的量单位摩尔和发光强度单位坎德拉有了这些 基本单位就可以得出所有的导出单位基本单位和导出单位就是进行 科学测量的标准2)必须建立在对研究对象有比较深刻认识的基础之上因为 要进行量的观察首先应明确表明研究对象的特征和属性，然后考虑 尽可能提高测量精度的测量手段(仪器、装 置)。

例如要研究从斜面 上加速下滑的物体的运动是否属匀变速直线运动，首先应该知道匀变 速直线运动的特征是加速度恒定，做匀变速直线运动的物体在相邻的 相等时间内的位移差是一定值在中学物理实验中常利用打点计时器 记录数据，用毫米刻度尺测量各段相等时间内的位移，然后求出在相 邻的相等时间内的位移差根据位移差是否是定值，来判断物体的运 动是否属匀变速直线运动在这个实验中，长度的精确测量是至关重 要的数学方法在科学研究中针对研究对象不同的特点，运用数学概念、方法和 技巧，对研究对象进行量的分析、描述、计算和推导，从而找出能以 数学形式表达事物的量的规律性的方法16世纪以后，物理学逐渐发展成为一门成熟的自然科学，它不仅 用实验方法代替了以往整体的观察法，而且引进了数学方法例如伽 利略的自由落体定律、开普勒的行星运动三定律、牛顿运动定律和万 有引力定律等，近代物理学研究由宏观领域深入到微观领域，根据在 科学实验中所发现的新事实建立了许多与经典理论完全不同的新理 论，而这些理论的建立都是在数学方法的帮助下完成的，例如麦克斯 韦建立的电磁场理论，并运用数学方法的推导，预言了电磁波的存在;物理学研究进入微观高速领域之后，所产生的相对论和量子力学，都 是采用数学方法作为表达形式。

物理学的发展是和数学方法的运用分 不开的说明：(1)数学方法为科学研究提供简明精确的形式化语言运用数 学方法研究事物规律，对量与量之间的关系、量的变化以及在量之间 进行分析、比较、推导和运算时，都是以符号形式(包括图象、图表)表示的，也就是运用一套形式化的数学语言这种简洁、明确、严密 的数学语言已日益渗透到各门科学中去，成为表达科学概念和科学理论的重要形式和手段用简明的数学公式、数学符号系统、形式化的 语言表达自然规律以及规律和复杂现象的联系，才能在科学研究中进 行定量描述和理论概括，反映自然规律的普遍性2)数学方法为科学研究提供数量分析和计算方法运用数学 方法可以通过认识事物的量来认识事物质的规定性例如开普勒根据 第谷积累的大量关于行星运动的观测资料，应用圆锥曲线理论，经过 大量演算，建立了行星绕日变速运动的椭圆轨道模型，终于发现了行 星到太阳的距离R跟行星绕日运行的周期T间的关系为R3/T2=K (恒 量)3)数学方法为科学研究提供逻辑推理的工具在科学研究中,数学方法是一种有效的进行推理和逻辑证明的工具，是建立科学理论 体系的一个有效手段，且具有预见性例如法国天文学家勒威耶根据 天王星的运动轨道，与根据万有引力定律计算出来的结果总有比较大 的偏离，便应用天体力学理论结合数学的分析和计算，预测天王星轨 道外面存在一颗未被发现的行星，并精确计算了该行星的运动轨道以 及它在各个时刻的位置。

1 8 4 6年9月2 3日晚上，德国天文学家加勒 把望远镜对准了勒威耶所预言的位置，立刻发现了后来被命名为海王 星的这颗行星又如电磁波的存在并预言它以光速传播，是由麦克斯 韦用数学“推导”出来的，1 5年后才由德国物理学家赫兹用实验证 实；爱因斯坦通过质能关系式E=m c 2的研究，预示了原于核反应中质 量亏损所产生的巨大能量以上事实表明，自然科学中的许多重要结论都是根据已知原理，运用数学的运算、交换法则，经过严密的数学 推理证明后得到的推理由已知一个或几个判断为前提，得出作为结论的新的判断的思维 过程就是推理在推理过程中，已知的判断叫做前提，推出的新的判 断叫做结论推论，把真实的前提和推论之间的必然联系叫做推理 根据一切推理都是由前提、推论和推理根据3部分组成的说明：(1)推理按前提的数量来区分，有直接推理和间接推理两种只有一个前提的推理是直接推理例如带电导体在达到静电平衡时，即电荷无宏观移动时，可以直接得到两个推论：导体是一等电势体，导体表面是一等电势面；导体表面附近电场中的电场线(电力线)必 和导体表面垂直有两个或两个以上前提的推理是间接推理例如金 属能导电，铜是金属，所以铜能够导电。

2)根据推理的思维进程的方向不同，又有归纳推理、演绎推 理和类比推理等儿种归纳推理是根据对某类事物中的个别现象的考察，所作出的关于 该类事物的一般规律性的结论的新知的推理归纳推理是一种扩大知识的方法例如牛顿根据开普勒的行星运动定律，把天体间的力和地 球使月球沿轨道运动的力及使地面附近物体坠落的力联系起来，归纳 得出万有引力定律演绎推理是根据已知的一般原理，推知某个从属于该类事物的特 殊事物的情况的新知的推理演绎推理是一种必然性的推理例如已 知带电粒子在电场作用下能作定向运动，可以推知金属内自由电子在 电场作用下能作定向运动，所以金属能导电；电解质溶液和电离了的 气体中存在离子，所以，它们在电场作用下也能导电归纳推理是从个别到一般，因为个别之中包含着一般，所以通过 个别可以认识一般演绎推理是从一般到个别，因为一般存在于个别 之中，某类事物共有的属性，其中每一个别事物必然都具有，所以，从一般必然能推知个别归纳和演绎这两种推理形式是人们对客观现 实的两种对立的认识方法的总结，它们既是对立的，又是统一的，缺 少任何一个方面都不能认识真理类比推理是根据两个对象（或者事物）具有一系列相同的属性，而且已知其中一个对象（或事物）还具有其他的属性，由此推出另一 个 对 象（或事物）也具有同样的其他属性。

例如科学家利用光谱分析 首先确认在太阳大气中存在氮由于太阳上的其他元素，如氢、氧、氮、硫、磷、钾，地球上都有，于是就类推地球上也可能存在氨，后 来果然在地球上找到了氢元素但类比推理的结论是或然的，因为推 理的根据并不充分例如火星和地球相比较，发现它们有许多属性是相同的，地球上有生命，于是就推测火星上也可能有生命但迄今为 止，包括利用降落在火星上的探测器在火星表面上所进行的生物化学 实验结果来看，并没有发现火星上有生命存在的迹象这表明类比推 理的结论，有待于进一步的实验验证类比根据两个研究对象在某些属性或特征上的相似或相同，从而推断 出这两个研究对象在其他属性或特征上也可能相类似的研究方法自然界中的事物和现象尽管是千差万别的，但在一些事物或现象 之间，往往具有某些相类似的属性或特征采用类比方法，就可用已 经认识了的事物和现象为人们研究还没有认识的并且与之相类似的 事物和现象提供类似的说明例如，法国物理学家库仑在利用扭秤装 置作了测定两个带电球体之间的相互作用力的大量实验基础上，采用 与万有引力定律类比的方法，提出了两个点电荷之间的作用力跟电量 成正比、跟它们之间的距离的平方成反比的假设事实上当时还没有 确定电荷数量的单位，且受仪器测量精度的限制，库仑提出这一假设 纯粹是采用了类比法，当然，后来被理论和进一步的实验所证实。

又 如法国物理学家德布罗意在光的波粒二象性的启示下，采用类比法提 出一切微观粒子都具有波粒二象性的假设，并从理论上建立了粒子与 波动的联系这一假设后来为电子射线通过晶体时与用伦琴射线通过同一晶体时一样能产生完全相似的衍射图样而得到证实以后的许多 实验中还发现，不仅电子具有波动性，其他微观粒子，如质子、中子、中性原子、分子也同样具有波动性控制变量根据研究目的，运用一定的手段（实验仪器、设备等）主动干预 或控制自然事物、自然现象发生发展的过程，在特定的观察条件下探 索客观规律的一种研究方法自然界发生的各种现象往往是错综复杂的，并且被研究对象往往 不是孤立的，总是处于与其他事物和现象的相互联系之中，因此影响 研究对象的因素在许多情况下并不是单一的，而是多种因素相互交 错、共同起作用的要想精确地把握研究对象的各种特性，弄清事物 变化的原因和规律，单靠自然条件下整体观察研究对象是远远不够 的，还必须对研究对象施加人为的影响，造成特定的便于观察的条件,这就是控制变量的方法例如在研究气体的温度、体积、压强这3个状态变量之间的关系 时，必须设法把决定气体状态的一个量或两个量用人为的方法控制起 来，使它保持不变，然后来比较、研究其他两个变量之间的关系。

在 进行观察时，首先把研究对象限定为一定质量的气体，然后研究在温 度恒定的条件下，它的体积跟压强的关系，得出了玻意耳定律如果使一定质量气体的体积（或压强）保持不变，研究它的压强跟温度的 关 系（或体积跟温度的关系），便得出了查理定律（或 盖吕萨克定 律）这三个定律都是用控制变量的方法得出的描述一定质量的气体 的状态量之间的关系的实验定律，为建立理想气体模型、推导理想气 体状态方程提供了可靠的实验依据在研究物体的加速度跟所受的外力和物体质量的关系时，也采用 了控制变量的方法如先研究物体质量不变时，在大小不同的外力作 用下，物体的加速度用外力的关系；再研究在相同大小的外力作用下,物体的加速度跟质量的关系这就是著名的牛顿第二定律理想模型人们在观察自然现象时，常会发现要研究的对象中的一些性质，对于现象的过程及其最终结果具有决定性的影响，而另外的一些性质 则起次要作用为了便于研究，人们在观察和实验的基础上，运用抽 象思维能力，忽略次要因素和过程，只考虑起决定作用的主要因素和 过程，把研究对象形式化、纯粹化，这就是理想化的方法建立理想 模型是科学抽象方法的一种形式说明:(1)理想模型是以客观实体为原型进行科学抽象的产物，是对 客体主要特征的反映。

例如力学中研究的“刚体”模型是固体的形 状、体积不易改变的突出反映；分子物理学。