物理教学的科学性、严谨性、逻辑性

物理教学的科学性、严谨性、逻辑性
———浅谈在中学物理教学中科学素养的培养
毕传平
在平时的听课学习中发现，有很多教师甚至包括一些老教师，对物理教学的科学性、严谨性、逻辑性不甚了解，或者是要求不够严格，导致在教学中出现很多问题，如出现科学性错误、结论表述不够严谨、过程分析思维混乱没有逻辑性，学生越听越乱，学习教学效率低下，长此以往导致学生养成脱离实际、浮躁不求甚解、生搬硬套的习惯，这对学生毕业以后走上工作岗位解决实际问题也是非常不利的、对学生的终生发展也是不利的。

如果大多数教师在平时教学中不能认真钻研教材、认真备课、提供科学严谨逻辑性强的优化方案，除了对学生个人的发展不利，也将影响整个国家的发展。

因为中学物理学科的特点，作为我们物理教师培养学生科学素养的责任尤其重大，我们应当担当起这个责任。

下面就分别阐述物理教学的科学性、严谨性、逻辑性，并结合具体事例分析。

一、科学性是指表述的内容是否符合客观实际，是否反映出事物的本质和内在规律，即概念、定义、论点是否正确，论据是否充分，实验材料、实验数据、实验结果是否可靠等。

物理学是一门自然科学，在进行中学物理教学时，首先应当注重教学的科学性。

无论是对物理现象、物理概念和物理规律的描述与表达，还是实验与习题的内容、数据等，都应当正确无误符合科学性。

当然,不是说要一次就把某个问题讲深、讲透、讲全,而是要求不论在内容上和方法中都不应有科学性的错误。

关于物理教学中的科学性典型错误有很多，下面所举的例题都很简单但又是不经意间常犯的错误。

【例1】、在一次公开课上，有一位老师分析下例：如图1所示，在光滑的绝缘水平面上固定两个同种正电荷P 、Q ，在PQ 连线上的M 点，由静止释放一带正电滑块，则滑块由静止开始一直向右运动到PQ 连线上的N 点时速度为零。

关于此过程中下列说法正确的是（ ）
A ．滑块受到的电场力一定是先减小后增大
B ．滑块的电势能一直减小
C ．PM 间距一定小于QN 间距
D ．滑块此后将在MN 间做往复简谐运动 分析：根据等量同种电荷电场线的分布规律，可知在PQ 连线的中点处场强为零，从P 、Q 到中点场强逐渐减小，故选项A 正确；滑块电势能变化由电场力做功决定，可知选项B 错误；由滑块的受力可知：滑块先做加速度减小的加速运动，到MN 中点时加速度为零，速度最大，然后向右做加速度增大的减速运动，到N 点速度为零、加速度向左最大，再返回做对称的运动，因此可作出滑块的速度—时间图像如图2所示，与弹簧振子的运动情况完全相似，所以滑块也做简谐运动，如取MN 连线中点为平衡位置O 、向右为位移正方向，可作出滑块的位移—时间图像如图3所示。

故选项AD 正确。

【问题提出】 物体是否做简谐运动如何判断？能否象上题一样通过图像定性分析确定?
图1
P M Q
N
图2
图3
【问题研究】
根据简谐运动定义，如果物体做简谐运动，则其回复力和振动位移应满足下列两个方程：F 回= —Kx ；x=Asin(ωt+φ0)
证法一：
对上题小滑块受力分析可知，如其偏离平衡位置O 正向位移为x ，且令OP=OQ=L ，正电荷P 、Q 带电量为Q ，滑块带电量为q ，则其回复力大小为：
()()()2
22224x L KQqxL x L KQq x L KQq F -=+--=回，
所以小滑块所受回复力大小与振动位移大小不成正比，故小滑块不是做简谐运动。

证法二：
先假设小滑块是做简谐运动，则其振动位移应满足下式：
⎪⎭⎫ ⎝
⎛-=2sin πωt A x ， 测量几组数据代入上式，可以发现与上式不符，故小滑块不是做简谐运动。

【问题解决】
物体是否做简谐运动的正确判断方法是：用公式F 回= —Kx 或x=Asin(ωt+φ0)定量计算证明，而不能通过定性分析后就想当然的判断，否则这种不求甚解的做法将会给学生的终身发展带来不良影响。

又如一位老师在讲简谐运动中的能量随时间变化的规律时，把能量随时间变化的图像想当然地画成如图4、图5中虚线所示的，由一半一半的正弦图像组成。

事实上根据势能和动能公式：
()0222sin 2121φω+==t KA Kx E P ； ()02222cos 2121φωω+==t mA mv E K ，
可作出正确的E — t 图像如图6、图7中虚线所示，其变化周期为振动位移周期的一半，虽然图像也和正弦图像相似，但实际并不是正弦图像。

当然关于简谐运动动能和势能的公式与图像，对学生没有必要讲清楚，但是作为授课教师自已必须搞清楚，这样才能更好地进行物理教学。

二、严谨性是物理教学的又一特点。

它要求物理结论的叙述必须精练、准确，而对结论的推理论证和系统安排都要求既严格，又周密。

不过，对这些现象应当有一个正确的分析。

图5 E
图4 E
图6 E
图7
E
一方面应当认识到，由于年龄特点，学生对严谨性要求确实有不适应之处，而另一方面也必须看到，出现这些现象往往是教师教学中缺乏基本训练的结果。

由于传统的教材和教法侧重于机械记忆加模仿，学生当然会养成不求甚解、不问原由的习惯。

大量实验证明，经过一定的训练以后，学生对严谨性的要求，是可以逐步适应的。

并且倘若要求合理，教法得当，适应过程可以大大缩短。

如果不注意物理教学的严谨性必然带来科学性错误。

请看下例分析：
【例2】、如图甲所示，一物块放在粗糙斜面上，在平行斜面向上的外力F 作用下斜面和物块始终处于静止状态，当F 按图乙所示规律变化时，物块与斜面间的摩擦力大小变化规律可能是下图中的 （ ）
【分析比对】：
甲老师作如下分析：设F 最大值为F 0 则有:
（1）若F 0 =θsin mg ，则t=0时F f =0，（能抓住临界点分析思路比较清晰。

）在F 从θsin mg 开始逐渐减小到零的过程，根据平衡方程F +F f =θsin mg 得F f 从零逐渐增加到θsin mg 后保持不变。

所以摩擦力随时间变化的图像为
“D ”图。

（2）若F 0 ＜θsin mg ，则t=0时F f = θsin mg -F 0，
同上分析得摩擦力随时间变化的图像为“E ”图。

（3）若F 0 ＞θsin mg ，则t=0时F f 方向沿斜面向
下，大小F f = F 0 -θsin mg ，在F 从F 0 开始逐渐减小到θsin mg 过程，根据平衡方程F
=F f +θsin mg 得：F f 从(F 0 -θsin mg )逐渐减小到零。

所以摩擦力随时间变化的图像为“G ”图。

通过以上方分析本题只有“D ”图正
确。

乙老师其它分析和甲老师基本相同，但是在（3）中
乙老师强调习题要求分析的是摩擦力大小随时间变化的规律，所以应将“G ”图变为“H ”图，由于一个学生提出
F 0 与θsin mg 的大小关系不确定，如F 0 可能等于t
F f
O θ
sin g m 0t 图G t F f O 0t 图E
θ t F f
O θsin g m 0t
θsin mg .51、也可能等于θsin mg 2、θsin mg 3，导致则t=0时F f 可能大于θsin mg 、可能等于θsin mg 、也可能小于θsin mg ，所以老师又把“H ”图变为“M ”图.
丙老师其它分析和乙老师基本相同，但是在（3）中丙老师认为摩擦力大小随时间变化的规律的图像为“N ”图。

【点评】：从以上几位老师的分析中我们可以看出，一些老师的物理教学是多么的随意，多么的不严谨，带来的后果是多么的严峻。

其中甲老师画的 “G ” 图不能正确反映摩擦力大小随时间变化；
乙老师画的 “M ” 图把定值θsin mg 变为可变；丙老
师画的 “N ” 图又改变了F —t 图的斜率。

这些都是犯了科学性错误的。

实际上在F 0 ＞θsin mg 条件下摩擦力大小随时间变化的正确图像应该是“P ”图。

三、在物理教学中只注意科学性、严谨性，对培养学生的科学素养还不够，还要发展学生的逻辑思维
能力，这也是物理高考要求的能力之一。

逻辑性思维是指在感性认识的基础上，运用概念、判断、推理等形式对客观世界间接的、概括的反映。

科学抽象、比较、分类和类比、分析和综合、归纳和演绎。

是最常见的一种科学方法。

而逻辑性，就是从定义概念，到作出判断，到推理出一结论的过程，整个过程像一条线，就是我们说所的条理。

每个人说话时都必须有逻辑性。

说话有逻辑性，也是说话有条理，接收者才能很清晰的提炼出你所要传达的几点意思，便于交流，又不会产生误解。

物理教材中许多表达物理概念、定理、定律等的语言逻辑性都是很强的，常常是少一个字不行，多一个不好，前后颠倒也不行。

例如光的反射定律中“反射光线在入射光线和法线所决定的平面内；反射光线和入射光线在法线的两侧；反射角等于入射角。

” 就不能将“所”漏掉，也无须在“平面”之前加什么修饰，不能把“反射光线”和“入射光线”位置互换，更不能说“入射角等于反射角”，特别是反射定律三句话的顺序更不能乱，这是因为第一句话确定了“反射光线”在无限大空间里的哪一个平面内、第二句话确定了“反射光线”在这个平面内哪一侧，第三句话确定了“反射光线”在这个平面内唯一确定的位置。

从空间到平面、再从平面到具体的“线”位置，可以说反射定律的表述是物理语言严谨性和逻辑性较高要求的典范之一。

作为物理教师更应达到教学语言有条理、逻辑性强，否则同样一个习题一位老师有条理
mgsin
mgsin
地讲了之后，学生很轻松地接受。

而另一位老师思维混乱讲了之后学生会一头雾水，思维乱七八糟，只能死记硬背生搬硬套。

通过对比两位老师对“例3”题的分析过程，可以明显看出。

【例3】、一辆长为L 1=5m 的汽车以V 1=15m/s 的速度在公路上匀速行驶，在离铁路与公车交叉点S 1=175m 处，汽车司机突然发现离交叉点S 2=200m 处有一列长L 2=300m 的列车以V 2=20m/s 的速度行驶过来，为避免交通事故，汽车司机立刻减速，让火车通过交叉点，求汽车减速的加速度至少多大？（不计汽车司机的反应时间）
【分析比对】：
甲老师作如下分析：对直线运动中的追击相遇问题，我们讲过是如何处理的？学生答：利用“一图三式” 找关系，列出方程求解。

老师总结：回答的很好，“一图”就是要画出轨迹图，“三式”就是找位移S 、速度V 、时间T 之间的关系式。

特别要注意临界条件：速度相等时刻，二者间距离最大或者最小，也可判断后者能否追上前者。

本题中列车通过交叉点用时t =（L 2+S 2）/V 2=25s
若汽车在25 s 内位移 S 1=175m 则1212
1S at V =- ，解得a =0.64m/s 2 此时汽车速度V =V 1-at ，V = - 1 m/s ，说明汽车又返回与火车相撞，不合题意。

所以要使汽车安全减速，必须在小于25s 的时间内汽车速度减少为零，这样才能使它的位移小于175m,
则有V 12 =2aS 1, a =9/14m/s 2 =0.643m/s 2
火车减速的加速度至少为0.643m/s 2.
（讲台下很多学生一脸茫然，无奈叹息，想提出疑问又没有勇气，因为这和标准答案是一样的，此时老师已开始评讲下一题。

）
【点评】：这位老师先回顾了追击相遇问题的处理方法，似乎在帮助学生温故知新，构建解题的模型，但是这些根本不适合本题情境，反而对学生解题的思维产生了负迁移。

长期这样强化会导致学生只能生搬硬套，不能具体问题具体分析、不能灵活运用物理规律解决实际问题，使学生的解题能力不仅不会提高反而会逐渐下降。

差生是老师教出来的，有时候这个说法看来也是正确的。

再看同年级另一位老师的分析。

乙老师是这样分析的：对于这类问题我们应该先干什么？
学生：先画出右图运动轨迹，标出相应数据。

老师画出图后又问下一步？
学生:分析运动过程，找运动物理量关系，列方程。

师：本题中汽车如果不减速能安全通过吗？（学生算了之
后否定。

）
师：汽车如果加速可以通过，但是风险太大，实际生活中
有人试过但是付出代价较高!为求保险还是减速。

因为列车通过交叉点用时t =（L 2+S 2）/V 2=25s ，
如果在25s 内汽车速度减为零不就可以了吗？有一部分同学作业就是这样做的，V 1= a 1 t ，得a 1=0.6m/s 2 为什么错了？
学生：因为根据x=V 12 /2a 算出位移大于175m ，会相撞。

师：在25s 内汽车减速的位移小于等于多少就不相撞？ 学生根据提示列出12212
1S t a V =-，解得a 2=0.64m/s 2 师：此时汽车速度多大？
学生根据V=V1- a2t ，V= -1 m/s，
师：V= -1 m/s说明汽车返回相撞了吗?
学生: 说明汽车已经在25s前冲过了交叉点，发生了交通事故，不合题意。

师：所以要使汽车安全减速，必须在小于25s的时间内，当汽车位移等于175m时,速度减少为零，
则有V12 =2aS1, a =9/14m/s2 =0.643m/s2
所以火车减速的加速度至少为0.643m/s2.
师：从以上解答可以看出，对这类问题要同时考虑两个方面的条件，即既要满足位移小于等于S1，也要满足末速度大于等于零。

课后思考如果列车的长度变为200m结果又如何? 另外对此类问题的分析思考也可借助速度时间图像进行。

以上就是笔者对物理教学的科学性、严谨性、逻辑性的一点粗浅看法，如有不妥请多指教！
参考文献：
1、《浅析物理课堂的教学语言艺术》，张胜忠，《中学课程辅导·教学研究》2011年第18期。