學(xué)習(xí)方法：比較法在物理中的應(yīng)用

物理學(xué)科與其它各門(mén)學(xué)科一樣，都有一系列作為理論出發(fā)點(diǎn)的基本概念，和由推理形式導(dǎo)出的定律理論。物理學(xué)在自己的發(fā)展過(guò)程中要求物理思維要有嚴(yán)密的邏輯性，要符合邏輯規(guī)律。物理思維的方法很多，這里僅就其中最典型的，最常用的比較法來(lái)結(jié)合物理學(xué)的實(shí)際來(lái)討論。

    一、 比較法

    “比較”是人們常用的思維方法，是找出事物之間的差異點(diǎn)和共同點(diǎn)的思維方法，通過(guò)事物間相同特征或相異特征的比較，提示事物的本質(zhì)和區(qū)別。人們認(rèn)識(shí)事物往往是從區(qū)別事物的本質(zhì)特征開(kāi)始的。而要區(qū)別就要有比較，有比較才有鑒別。事物之間在現(xiàn)象上和本質(zhì)上都存在著同一性和差異性�，F(xiàn)象上的同一和差異一般來(lái)說(shuō)是容易識(shí)別的，而本質(zhì)上的同一和差異就不那么容易識(shí)別。物理學(xué)中有許多物理思維和物理規(guī)律具有可比性，運(yùn)用比較法可幫助學(xué)生接受新概念并加深對(duì)概念的理解，尤其在復(fù)習(xí)課上運(yùn)用，能使知識(shí)融會(huì)貫通，開(kāi)拓學(xué)生的思維，并培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)遷移能力。在物理教學(xué)中，既要求學(xué)生找出差異性極大的物理現(xiàn)象或物理概念之間本質(zhì)上的共同點(diǎn)，又要求學(xué)生找出表面上極為相似的物理現(xiàn)象和物理概念之間本質(zhì)上的差異，在物理教學(xué)中運(yùn)用比較法常有以下幾種情況。

    首先，是用“比較”引入新概念。有些物理概念間有許多相似之處，講解一些概念之后，另一些概念可用比較法引入，使教學(xué)難度降低，并能把規(guī)律提示出來(lái)。例如：“動(dòng)量”和“動(dòng)能”這兩個(gè)概念，它們都是用來(lái)描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)的物理量，都是與物體質(zhì)量和物體運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)的物理量。這些是它們的共同點(diǎn)。然而，在本質(zhì)上它們又有著質(zhì)的差異，動(dòng)量是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式來(lái)量度機(jī)械運(yùn)動(dòng)的，動(dòng)能是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為一定量的其它能量的能力來(lái)量度機(jī)械運(yùn)動(dòng)的。下面我們從物理學(xué)的角度來(lái)比較它們的差異。

    1．動(dòng)能：Ek= mv2 標(biāo)量；
       動(dòng)量：P=MV    矢量；

    2．動(dòng)能是機(jī)械能的一種形式；
       動(dòng)量是機(jī)械運(yùn)動(dòng)量的量度；

    3．動(dòng)能遵從動(dòng)能定理：W=△EK，力的空間積累效應(yīng)；
       動(dòng)量遵從動(dòng)量定理：I=△P，力的時(shí)間積累效應(yīng)；

    4．動(dòng)能守恒不一定動(dòng)量守恒，比如：在光滑水平面上作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體；
       動(dòng)量守恒不一定動(dòng)能守恒，比如：非彈性碰撞的系統(tǒng)。

    再例如勢(shì)能，中學(xué)階段學(xué)習(xí)了重力勢(shì)能，彈性勢(shì)能，分子勢(shì)能和電勢(shì)能。由于重力和彈力做功現(xiàn)象較常見(jiàn)，因此重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能講解比較容易，但分子勢(shì)能和電勢(shì)能較抽象，教學(xué)中可以在講了重力勢(shì)能以后，運(yùn)用比較的方法將電勢(shì)能引入；講解了彈性勢(shì)能后，將分子勢(shì)能引入。這樣講解可達(dá)到事半功倍的效果。一一對(duì)應(yīng)的比較使學(xué)生能較快的在原有重力勢(shì)能概念的基礎(chǔ)上把電勢(shì)能的概念建立起來(lái)，并進(jìn)一步指出這些共同之處還反映了存在于保守力場(chǎng)中所有勢(shì)能的共同性質(zhì)，即勢(shì)能的共同特點(diǎn)。同時(shí)在比較相同之處還指出它們的不同，由于電荷有正負(fù)之分，所以電荷受力的方向可以與電場(chǎng)相同，也可以相反。即電荷沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，電勢(shì)能可能增加，也可能減少；而質(zhì)點(diǎn)受重力方向總是豎直向下，因此，重力勢(shì)力總是沿重力方向減小。

    其次，用“比較”可以深化概念。在上新課時(shí)，知識(shí)往往比較分散，復(fù)習(xí)課上教師要幫助學(xué)生通過(guò)比較，把一些有內(nèi)在聯(lián)系的知識(shí)串聯(lián)起來(lái)，以深化概念。例如在講解了“動(dòng)量，沖量”和“功和能”后，可向?qū)W生提問(wèn)：第二章中講述了兩組物理量，動(dòng)量和動(dòng)能、沖量和功。前一組都是描寫(xiě)物體“運(yùn)動(dòng)量”的大小，與質(zhì)量及速度有關(guān)，是狀態(tài)量。后一組沖量是描寫(xiě)力對(duì)時(shí)間的積累效應(yīng)的過(guò)程量，功是描寫(xiě)力對(duì)位移積累效應(yīng)的過(guò)程量。

    再次，用“比較”區(qū)分概念。有些相反性質(zhì)的物理概念也可用比較法講解，著重區(qū)分兩個(gè)概念的相異之處，抓住事物個(gè)性加以區(qū)別，從而分清概念。在電磁學(xué)中應(yīng)用左，右手定則往往會(huì)引起混淆。教師在評(píng)講時(shí)要比較異同。著重突出應(yīng)用條件上的差異，以免弄錯(cuò)。左右手定理有許多類(lèi)同之處，在應(yīng)用時(shí)分別伸開(kāi)左右手掌，并攏四指，拇指與四指垂直；表示的物理也類(lèi)同：磁感線穿過(guò)手心，四指指向表示電流方向，拇指表示受力運(yùn)動(dòng)的方向。用左手還是用右手判定，關(guān)鍵不在于求哪個(gè)量的方向，而在于條件。即導(dǎo)線中電流與導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向的因果關(guān)系，若是由于導(dǎo)線中有了電流在磁場(chǎng)中受力運(yùn)動(dòng)，那么不論是求磁場(chǎng)方向，電流方向還是導(dǎo)線受力運(yùn)動(dòng)方向，都應(yīng)用左手定則。若是由于導(dǎo)線切割磁感線運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電流，則不論求磁場(chǎng)方向，電流方向還是導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)方向，都應(yīng)用右手定則。差異就在于因果關(guān)系。抓住關(guān)鍵就能正確運(yùn)用。

    另外，將物理概念與生活知識(shí)相比較。有些物理概念看似深?yuàn)W難懂，若將其與一些生活常識(shí)相比較，則能起到化難為易的較果。如在講解電場(chǎng)強(qiáng)度定義時(shí)，檢驗(yàn)電荷放入電場(chǎng)中，與某一點(diǎn)受力來(lái)說(shuō)是定律，并可定義為電場(chǎng)強(qiáng)度，它是電場(chǎng)的屬性，與是否放入電荷及電荷的電量大小無(wú)關(guān)，對(duì)這一點(diǎn)，學(xué)生不容易理解。這里不妨舉一例：把這一定義與鉛筆單價(jià)相比。購(gòu)買(mǎi)鉛筆的單價(jià)不變，而且單價(jià)與購(gòu)買(mǎi)的支數(shù)無(wú)關(guān)，與是否購(gòu)買(mǎi)也無(wú)關(guān)，這是鉛筆本身價(jià)值的反映。這是常識(shí)所能理解的。將電荷電量與支數(shù)相比，受力與付款相比。電量越大受力越大，但二者之比不變，它是電場(chǎng)屬性。放入電荷只是讓其表現(xiàn)出來(lái)而已。

    總之，通過(guò)這樣的比較和思索，學(xué)生豁然開(kāi)朗，較快的接受了新概念。可見(jiàn)運(yùn)用“比較法教學(xué)”對(duì)解決教學(xué)難點(diǎn)是很有益處的。

    比較法教學(xué)對(duì)于學(xué)生的概念學(xué)習(xí)有所幫助，比較實(shí)驗(yàn)可以加強(qiáng)直觀教學(xué)，有助于學(xué)生建立概念，理解規(guī)律，突破難點(diǎn)，因此對(duì)比實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中被廣泛應(yīng)用，在教學(xué)中，如何運(yùn)用好對(duì)比實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)者值得研究的問(wèn)題。

    首先，運(yùn)用對(duì)比實(shí)驗(yàn)引入新課，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師從啟發(fā)性對(duì)比實(shí)驗(yàn)開(kāi)始引入新課，不但能激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲，引起學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，而且有利于向?qū)W生顯示新課題的目的性。例如，在講解“短路”概念時(shí)，可利用圖一所示的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。先斷開(kāi)K2，閉合K1，使學(xué)生看到L正常發(fā)光，電流表發(fā)生偏轉(zhuǎn)。然后再閉合K2，比較兩次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。自然引出“短路”的概念。這樣，即使沒(méi)有進(jìn)行公式的推導(dǎo)，學(xué)生也不會(huì)感到抽象，為學(xué)生準(zhǔn)確的掌握“短路”概念打下基礎(chǔ)。

    其次，用比較的方法可以放大感知的微觀變化，提高實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)度。有些物理現(xiàn)象觀察起來(lái)不明顯，尤其是在演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，很難使全體學(xué)生都看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這時(shí)運(yùn)用對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)微量變化進(jìn)行“放大”，往往可以大大提高實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)度，也能大大提高實(shí)驗(yàn)的可信度。例如，為了證明大氣壓的存在，可在一只塑料杯子里盛滿(mǎn)水，用紙片把杯口蓋嚴(yán)，用右手手指按住小圓孔，在杯口向上時(shí)的塑料杯里盛滿(mǎn)水，用紙片把杯口蓋嚴(yán)，左手按住紙片把杯子倒過(guò)來(lái)使杯口向下，放開(kāi)左手后，紙片不會(huì)掉下來(lái)，杯子里的水也不會(huì)流出來(lái)。這時(shí)，學(xué)生可能認(rèn)為“紙片是被粘住了”，然后老師掉按住小圓孔的右手指，結(jié)果紙片掉下來(lái)了，水也流出來(lái)了。這樣通過(guò)手指按住小圓孔和不按住小圓孔兩次實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，使學(xué)生觀察到兩次實(shí)驗(yàn)中紙片都與水接觸，所不同的是后一次實(shí)驗(yàn)是杯底與大氣相通。從而解除了“紙片是被粘住了”的誤解。提高了“大氣壓存在”這個(gè)結(jié)論的可信度。再如，演示雙金屬片的實(shí)驗(yàn)時(shí)，在對(duì)雙金屬片的一面加熱以后，要把雙金屬片翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，再對(duì)另一面加熱。若只對(duì)其中一面加熱，如果金屬片向下彎曲，學(xué)生可能認(rèn)為這是下面的金屬片受熱多，膨脹大引起的，若正反兩面各燒一次，結(jié)果都向鐵片的一面彎曲，這樣通過(guò)兩次實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，有力的說(shuō)明了雙金屬片的彎曲是由于銅片膨脹較大。

    另外，運(yùn)用“同時(shí)比較”的實(shí)驗(yàn)，可以提高課堂效益。例如，在研究單擺振動(dòng)的周期時(shí)，教材介紹了三“差時(shí)比較”的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)雖然使學(xué)生反復(fù)練習(xí)了振動(dòng)周期的測(cè)定，但每次測(cè)出至少要3到4分鐘，共需20多分鐘。這樣，單擺這節(jié)就不可能用一個(gè)課時(shí)完成。若運(yùn)用下列三對(duì)“同時(shí)比較”的對(duì)比實(shí)驗(yàn)問(wèn)題就迎刃而解了。

    1、取兩個(gè)擺長(zhǎng)相同、擺球相同的單擺，同時(shí)在不同的偏角下（偏角小于5º）擺動(dòng)，可看到兩個(gè)單擺是同步進(jìn)行的。

    2、取兩個(gè)擺長(zhǎng)相同、質(zhì)量不等的單擺，同時(shí)在相同的偏角下（偏角小于5º）擺動(dòng)，可看到兩單擺是同步進(jìn)行的。

    3、取兩個(gè)擺長(zhǎng)不同的單擺。同時(shí)開(kāi)始擺動(dòng)，可以看到擺長(zhǎng)短的單擺擺動(dòng)快而且周期小。
    通過(guò)改進(jìn)無(wú)需做6次實(shí)驗(yàn)，只需做3次就可以了。且每次實(shí)驗(yàn)無(wú)需測(cè)出單擺的周期，這樣不需10分鐘就可以得出結(jié)論。因此用“同時(shí)比較”實(shí)驗(yàn)，大大提高了課堂效益，且現(xiàn)象直觀，可比性強(qiáng)。

    最后，可以通過(guò)比較來(lái)驗(yàn)證理論推理，做好新舊知識(shí)的銜接，促進(jìn)知識(shí)的正遷移。例如：把兩只標(biāo)有220V、40W和220V、100W字樣的白熾電燈分別進(jìn)行并聯(lián)或串聯(lián)后，接入220V的電路中，判斷這兩種情況哪個(gè)燈泡較亮？根據(jù)平時(shí)的經(jīng)驗(yàn)都是100W的燈泡較亮一些，即使老師通過(guò)分析和討論得出串聯(lián)時(shí)40W較亮，并聯(lián)時(shí)100W的較亮。但仍有一部分同學(xué)對(duì)分析感到不可靠，但如果我們通過(guò)可控實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行對(duì)比，學(xué)生就會(huì)信服了。

    同樣，利用比較也可以防止知識(shí)的負(fù)遷移。例如：高一學(xué)生在學(xué)習(xí)力的分解時(shí)，由于受到初中物理“動(dòng)滑輪的拉力是重物和滑輪總重的一半”的影響，他們會(huì)認(rèn)為：“向上的兩個(gè)拉力之和一定等于向下的總重”。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可利用如圖四所示的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，第一次將線沿豎直方向掛，此時(shí)兩彈簧秤所示的拉力之和等于總重，第二次拉開(kāi)一定角度，此時(shí)兩彈簧秤所示的拉力之和遠(yuǎn)大于總重。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生懂得了結(jié)論的適用條件，有效的防止了知識(shí)的負(fù)遷移。

    總之，在物理教學(xué)中適時(shí)的運(yùn)用“比較”法，對(duì)教學(xué)難點(diǎn)的突破和對(duì)教學(xué)重點(diǎn)的突出，有非常重要的作用，能使一些不容易直接從理論上理解的問(wèn)題變得簡(jiǎn)單而直觀。