实验教学在物理正负号教学中的作用

杨翠云

（桂林师范高等专科学校物理与工程技术系,广西桂林 541001）

实验教学在物理正负号教学中的作用

杨翠云

（桂林师范高等专科学校物理与工程技术系,广西桂林 541001）

物理学中使用了很多需要使用正负号的物理量，在高职高专层次教学中，不少学生对正负号的使用感到困难，文章以光学课程中正负号的使用为例，介绍理论教学辅以实验教学可以消除学生在使用正负号时模糊不清的做法，从而帮助他们建立正确使用正负号的信心和方法。

物理；正负号；实验教学

正负号在物理学中具有非常的意义，远比数学中表示正数和负数要复杂。物理量有矢量和标量，但不管是矢量还是标量，都广泛使用正负号表示物理量所处的两种具有相反（或对立）意义的状态、过程或物理量变化的方向等。如，在研究物体沿直线运动情况下，正负号可以表示位移，速度，加速度的方向；在研究电路时，正负号可以表示电流的两种流向，电势的升高和降低；在研究功和能时，正负号可以表示力作了正功还是负功，系统的能量是增加还是减少；正负号还表示带电体不同的带电状态等等。可见，学会正确使用正负号，对物理概念和物理规律的掌握有非常重要的作用，同时也关乎学生能否正确解答物理习题。关于正负号的意义和使用已经引起很多中学物理教师和大学物理教师的高度关注。[1-7]大部分教师关注了物理量正负号的意义和分类，以及在解答物理题时如何正确使用正负号，他们的教学也几乎围绕这些方面展开，如陈永平在文献[5]中明确提出“正负号使用从正负号的意义、正负号的表达式和正负号的运用三个方面进行教学是有效的”。但是从实验教学进行正负号的教学，未见有学者提及。因此，本文从正负号的实验教学入手，尝试从实验的角度解决教学过程中“物理量的正负号”这一教学难点。

要掌握正负号的用法，对于基础好的学生，不是困难的事情，但是对于处于高职高专层次的学生，尽管老师做了很多的示范，讲了很多的例子，他们还是感觉很难。对于这部分学生，采用常规的课堂教学，收效甚微。由于高职院校的学生大部分理科基础相对薄弱，如何让他们掌握正负号的使用方法，是很多高职院校物理教师关注的话题。本文以光学课程为例提出采用实验教学解决这一问题。学生通过在实验室里做实验，亲自测量实验数据，计算数据，体会到如果没有给数据加上正确的正负号，计算结果与实际值根本不吻合，从而迫使他们给数据加上正负号。通过这样的练习，使学生建立正确的正负号的概念，加深他们对正负号的理解，从而真正体会到给物理量规定正负的原则和方法和使用正负号的重要性。

一、使用正负号的条件

学生最早见到正负号是在数学课中介绍正数，负数时，认识到数有正，有负，正和负的分界点是零，数轴上正数和负数分居在零的两侧，他们具有对立或相反的性质。在物理学里有很多物理量也具有对立的性质或处于相反的两种状态，因此物理学中同样是采用正负号标识物理量所处的两种状态。例如外力对系统做功，有正功和负功，对应的系统能量变化是相反的，外力做了正功表示系统能量的增加，外力做了负功表示系统能量的减少。

几何光学里同样有不少具有相反状态的物理量，为使用正负号提供了很多“机会”。这样的物理量有：横向放大率，正负对应像的实和虚，正立和倒立，像方焦距正负对应凸透镜和凹透镜，曲率半径正负对应凸球面和凹球面，物距和像距正负对应物或像是在光学系统的前方或后方（从光的行进方向看），角度正负对应的是从法线或主光轴逆时针方向旋转和顺时针方向旋转所成的角等。几何光学里的公式各物理量都为代数量，因此在几何光学里只有正确地使用正负号才能很好地理解光学系统的成像性质和进行正确计算。

二、理论课和实验课融合

目前高职类院校的实践课时几乎占到了全部课时的一半，学校很注重学生在实践中通过动手操作，掌握今后工作中的必要的工作技能，强调理论知识够用就好，所以作为教师要充分发挥实践教学的优势。由于各高校理论课采用的教学法多为讲授法，虽然教师花了不少的时间和精力做了大量的多媒体课件来辅助教学，希望学生对关键的物理知识能够正确理解和掌握，但往往事与愿违，学生听课的效率不高，即使再同时辅以相应的课堂练习，希望他们能够巩固提高，发现仍然效果不好。理论教学提不起学生的兴趣，那就转到实验实训教学，从实验实训教学中找到解决问题的突破口。虽然实践课提倡的是学生的动手能力，把理论知识转化为实践的能力，但它反过来也会促进对理论的理解以及对理论学习提出更高的要求。下面以我校综合理科的学生为例，谈谈实践教学中如何实施正负号的教学。

14级综合理科是我校化学与药学系的一个班，在大学二年级下学期时开设有基础物理和基础物理实验课，这样的课程设置使得实验和理论课可以在同一学期进行，为理论课和实验课教学可以互为补充提供了条件。

在该班的实验课教学中，开设了测量薄透镜的焦距这一基础性实验。薄透镜是光学仪器中的基本元件，分为凸透镜和凹透镜两种。透镜的一个主要参数是焦距，常用的测量方法就有三种。在实验里，要求学生使用以下两种方法测量凸透镜的焦距。[8]

方法1：物距，像距法

通过测量凸透镜成像时的物距S和像距S'，如图1，根据高斯公式

算出焦距。该公式使用的符号法则规定为：距离从透镜光心量起，与光线行进方向一致时取正，反之取负。如图1，S取负，S'取正，凸透镜的像方聚焦取正，凹透镜的像方焦距取负。

图1 物距、像距法测凸透镜的焦距

图2 两次成像法测凸透镜的焦距

方法2：两次成像法，如图2。物和像屏（白屏）之间的距离D满足D＞4f＇，并保持不变。凸透镜置于物和白屏之间，移动透镜可以得到两次清晰的像——放大倒立实像和缩小倒立实像。分别记录两次成像时凸透镜所在的位置1和位置2，测出凸透镜两次的位置之间的d以及物和白屏之间的距离D，就可以根据式（2）算出焦距f。

本实验要求学生使用两种方法测量同一凸透镜的焦距。

在实验课上，可以发现同学们在做实验时都可以找得到凸透镜成的倒立的实像，正确测量物体到凸透镜的距离以及像到凸透镜的距离，把它正确填入数据表。大部分同学，根据方法1测量，算出的凸透镜的像方焦距为25.70厘米，根据方法2测量，算出凸透镜的像方焦距为9.70厘米，结果差距很大。老师在检查数据时通过检查他们的计算过程，发现这部分同学都未能正确使用符号法则。这时老师再对符号法则进行详细的讲解，让他们重新计算，就会得到与方法2相符合的结果。经过这样的学习过程，学生对正负号的使用就有亲身的体验，知道某些物理量是要代入正负号的，否则会导致错误的计算结果，这样就加深了他们对正负号的感性认识，知道正负号在计算时一定要根据规则来写。当学生在光学课上学习几何光学时，再讲到符号法则时，同学们已经在实验课中学习过，因此很快就能够正确的在物理量前加上正确的正负号进行计算。课程结束时，在期末考试试卷我用了一题几何光学题，计算过程中学生用对符号才可以算出正确的答案，结果这道题得分率相当高，说明大部分同学已经掌握了光学中正负号的使用方法。

而作为对照的班级，物理教育专业的学生，光学课程和光学实验是分别在不同的学期开设，即先开设理论课，再开设实验课，虽然在上课时强调关于正负号的符号法则，但是不少同学仍然是忽视正号和负号的存在，不能正确使用正负号代入公式进行计算，这可能与学生在中学的习惯有关，也可能与学生在大学里对学业要求不高，学习积极性降低有关。因此在期末考试试卷上也有一道几何光学题，但是他们的得分明显没有综合理科班好。

三、结论

关于物理量正负号的教学一直是物理教学中的一个难点，正负号的含义是正确掌握物理知识、定律的基础，有助于学生进一步理解物理概念和物理规律。在教学过程中，教师常发现不少学生存在“到底该用正号还是负号才会使计算结果正确”这类问题，作为教师大多数情况都是分析物理量的含义，正负号的意义，用法，及在例题中演示如何正确使用正负号进行计算，希望学生能够掌握正负号的意义和使用法则，但由于这些操作都是学生和老师在理论课上完成，学生缺少直观的认识，在部分学生中的教学效果不是很好。而本文尝试用实验教学来解决这一问题，收效明显。通过在实践中学习，学生不但学会了正确使用正负号，还学会了正确的实验方法，提高了学生的动手能力和观察能力，这样的教学也符合高职高专院校实训实践课占到总教学学时接近一半的实际，充分发挥了教学优势。因此该教学方法有一定的借鉴意义。

[1]林中锋.高中物理矢量和标量中的正负号含义[J].科技风, 2013（12）：96-97.

[2]李霞.试论物理学中正负号的含义及其处理[J].伊犁师范学院学报,2006（9）：61-62.

[3]王述发.高中物理中的正负号问题[J].新课程学习(中), 2011（11）：97.

[4]张耀建.物理教学中物理量正负号的分类浅析[J].数理化解题研究(高中版),2013（1）：44.

[5]陈永平.高中物理正负号使用的教学实践[J].中小学电教(下),2010（7）：92.

[6]马凤歧.正确认识中学物理中的正、负号[J].教师,2010（3）：118.

[7]冯艳.物理量的正负号及其处理方法[J].中学生数理化(教与学),2013（8）：77.

[8]覃以威主编.大学物理实验(Ⅰ)[M].桂林:广西师范大学出版社,2010.

The Role of Experimental Teaching in Positive and Negative Signs Teaching in Physics

Yang Cuiyun
(Department of Physics and Engineering Technology,Guilin Normal College,Guilin,Guangxi 541001,China)

Positive and negative signs are to be used in physical quantities.In vocational colleges,however,many students feel it difficult to use the positive and negative signs properly.In this paper,a method is introduced to solve this problem,that is,experimental teaching, which is used as an supplementary to theoretical teaching in the practice of positive and negative signs teaching in optics course,and it shows that this method can eliminate effectively the confusion of students in the practice of positive and negative signs,and help students to establish confidence in using them correctly.

physics;positive and negative signs;experimental teaching

041

A

1001-7070（2016）06-0120-03

（责任编辑：杨建香）

2016-09-25

桂林师范高等专科学校光学精品课程（项目编号:XJJP201409）。

杨翠云（1972-）,女,广西桂林人,桂林师范高等专科学校物理与工程技术系讲师,主要从事物理教学和理论物理的研究。