例谈物理教学中科学思维方法

例谈物理教学中科学思维方法

作者：戴苾芬

来源：《中学物理·高中》2013年第03期

归纳方法是从个别或特殊的事物概括出共同本质或一般原理的逻辑思维方法.通常归纳法按照它概括的对象是否完全而分为完全归纳法和不完全归纳法，不完全归纳法又分为简单枚举法和科学归纳法.我们物理学中的归纳是在物理观察和实验的基础上，从一些个别或特殊的物理现象、过程、规律，推出普遍的一般性的结论或原理.运用归纳手段解决物理问题，是物理学中常用的思维方法.1 完全归纳法在物理教学中运用

完全归纳法是在考察了某类事物的全体对象后做出的归纳.完全归纳法不仅是一个发现新知识的方法，也是一种进行科学推理的论证方法.

例如通过大量实验可知：磁铁的S极与S极是相互排斥的；磁铁的N极与N极是相互排斥的；磁铁的N极与S极是相互吸引的；所以，所有同名磁极是相互排斥的，异名磁极是相互吸引的.由此归纳出磁极间相互作用的规律.

再如在解决物理问题中常用的穷举法也是一种完全归纳推理法.在学习静电场时，常做如下实验：如图1所示，有一带正电的验电器，当一金属球A靠近验电器的小球B（不接触）时，验电器的金箔张角减小，由此判断金属球A是否带电或带什么电？对金属小球A而言共有三种情况：带正电、带负电或不带电.分别对这三种情况加以分析：当金属球A带正电靠近验电器时，部分电子被吸到小球B上，金箔张角增大；当小球A带负电靠近验电器，部分电子被排斥到金箔上，其张角会减小；当小球A 不带电靠近验电器时，由于静电感应，靠近验电器小球B的一端聚集电子，使得验电器张角减小，由此可得出小球带负电或不带电出现上述现象.像这种当某个事件有几种模式或几种变化的可能性时，就所有可能性逐一尝试，排除错误结论，直到尝试结果与规定条件相符为止，即是穷举法.其实我们在物理习题中也会用到穷举法.

如图2所示，一端开口一端封闭粗细均匀的U型管，在标准大气压下用15 cm长的一段水银柱封闭了一段L=30 cm长的空气柱.现将U型管翻转180°，使其开口朝上，求此时被封闭的空气柱的长度.

分析当U型管翻转180°后，很难直接判断确定末状态水银柱的位置，可以用穷举法逐一尝试.根据题意列出水银柱末位置的全部可能有五种如图所示.最后一种由于压强不变，显然不可能出现排除掉，其它四种利用波义耳定律列方程求解：

其实第三、四两种也可以定性判断：末状态气体压强都比图4大，对应的气柱长度应小于L3（40.8 cm），所以第三、四两种不可能出现.只有第二种符合条件.

运用完全归纳法在物理学的研究中常常会遇到困难主要是：（1）我们所研究物理现象往往含有无限多的对象，根本无法穷举；（2）即使所研究的对象是有限的，但是研究对象为数不少，要一一穷举也不是一件轻而易举的事.实际上人们在科学研究时，往往只根据部分对象具有某种属性作出概括，这种推理方法叫不完全归纳法.物理教材中不仅为这一方法提供了大量考察史实，且大量使用了实验归纳的手段进行概念和规律教学.2 不完全归纳法在物理教学中运用

从大量的实验事实中寻找因果联系，概括出那些反映事物普遍特征的原理和规律，是从个别到一般的认识过程；是由实践到认识，由感性到理性，物质到精神的飞跃；是物理研究的一种基本方法.2.1 不完全归纳法在探索规律中运用

例在探索光的直线传播规律时，我们选取空气、水、玻璃的、水晶等多种透明介质做实验，发现光在同一介质中是直线传播，再用海波溶液但不是均匀分布的溶液做实验，发现光在其中不是直线传播（见图8），接着把海波溶液搅拌均匀，发现光在其中又是直线传播（见图9），由此归纳出光在均匀介质中是直线传播的规律.在中学物理中牛顿定律、欧姆定律等等都是由归纳法得出的.2.2 不完全归纳法在定理证明中运用

有些物理学规律可以由某些特殊情况来归纳出此规律，然后再严格的证明.例如高斯定理可以根据点电荷的场强公式及电场的叠加原理由特殊向一般加以归纳证明.在证明高斯定理时我们从以下几种情况入手：①点电荷在球形闭合曲面的中心，②：点电荷在闭合曲面内任意位置，③点电荷在闭合曲面外，④点电荷系在任意曲面内（设场源电荷是由N个点电荷组成的）.

最终证明归纳出高斯定理.再推广如果曲面内的场源电荷是连续分布时的高斯定理表达式.2.3 不完全归纳法在习题中运用

例题如图10所示，在光滑的水平面上有A、B两辆小车，水平面上左侧有一竖直墙，在小车B上坐着一个小孩，小孩与车B的总质量是车A的10倍，两车从静止开始，小孩把车A 以相对地面的速度v推出，车A 与墙壁碰撞后仍以原速率返回，小孩接到车A后，又把它以相对地面的速度v推出，车A 返回后，小孩再把它推出，每次推出车A相对地面速度大小都是v，方向都向左，则小孩把车A总共推出多少次后，车A返回时，小孩不能再接到.

分析对A、B、人系统，在推出过程中，合外力为零，系统动量守恒.设向右为正方向，A 车质量为m.

第一次推出车后，B速度为v1，

所以，当小孩将A车共推出6次后，车A返回时，小孩不能再接到它.

像这样的递推归纳在物理解题中经常使用，是解决比较难的物理题的一种常用的方法.2.4 归纳法在概念教学中的运用

在物理课堂教学当中，物理概念应靠学生自己在归纳、总结中来获取.教师只是引导学生

进行观察、探究、归纳，得出相应的结论，教师在学生总结的基础上给予一定的说明和修正.

例在学习力产生的作用效果时，常常演示许多实验：（1）在铁球运动线路的一侧放磁铁，观察球运动情况.（2）用车压缩弹簧后松手，小车运动情况.（3）把重物放在塑料尺上，观察其形变等等.通过观察同一类特殊物理现象，研究其共同点，归纳出力产生的两个效果.同样电磁感应现象、惯性等概念，也都是由归纳总结出得.3 归纳法在教学中的意义

在科学研究中，归纳法发挥着重要的作用，许多物理概念、物理规律都是通过归纳法获得，而且还可以利用归纳法对物理现象或物理规律进行归类，同时对同种类型的问题进行分类.因而归纳法的教学是物理教学中的一个重要部分.3.1 归纳法教学能促使学生理解物理知识的本质

物理知识由物理事实、现象与规律构成.在课堂教学中有意识地引导学生对同类事物的共

同特征进行总述性的归纳，能促使学生进一步掌握事物的本质.例如我们对力的概念认识就是

利用归纳法来逐步深入掌握的，最初力的概念是从大量生活实例和实验概括归纳出来的；进入高中后，我们又通过实验，从现象中归纳出力与运动状态变化的定量关系——牛顿第二定律；之后又学了万有引力、电场力、磁场力等进一步归纳出力的物质性和相互作用性.这样对力这

个概念的本质有了全面了解.3.2 归纳法教学促进学生抽象思维和概括能力的提高

例如在单元复习或总复习时用，我们常让学生运用归纳法总结，一方面能揭示出新旧知识之间的内在联系，体现物理知识自身的统一性；另一方面能对教材中有限的知识进行整理，建立起系统的知识网，便于学生理解.另外在习题教学中常要建立物理模型解题，它要求思维过

程具有一定的抽象性，而用归纳法指导学生建构物理模型是培养学生抽象思维的一种有效途径.

物理知识是丰富多彩的，其中蕴含了许多科学思维方法，例观察实验法、比较与分类、分析与综合、归纳与演绎、类比法、假设法等等，教师在教学中根据新课改的课程标准、学生的心理特征及已有的相关知识，有目的、有步骤渗透和传授科学思维方法，使学生在逐步掌握知识的同时，提升科学素养.