从物理实验谈物理思维

唐松

摘 要：物理实验是物理学发展的基础，是检验物理学理论是否正确的唯一标准，同时也是探究物理规律的重要方法。本文从物理实验在学生的抽象概括能力、归纳演绎能力和综合分析能力这三个方面对物理思维的培养分别做了初步的探讨。

关键词：物理实验；物理思维

中图分类号： G633.7 文献标识码： A 文章编号： 1992-7711（2018）02-025-2

所谓物理实验，是指运用仪器、设备、使物理现象反复出现，从而有目的的进行观测研究的一种方法。在物理教学中运用实验的目的就在于给学生学习物理创造一个基本环境，使学生主动获取物理知识，形成科学的思维方式，提高解决问题的能力。

高中階段学生普遍感觉物理难学，其中主要的原因有两方面：一是对物理概念，物理规律本身的理解问题；另一方面则是物理思维方面有所欠缺。物理思维能力主要包括抽象概括能力、归纳演绎能力和分析综合能力，中学生的生理和心理发展等因素决定了他们对物理知识的理解，思维能力还处于初级水平，而物理实验则可以从这三个方面有效培养学生的物理思维。

一、物理实验对学生抽象概括能力的培养

1.物理实验提供符合认识规律的环境

一般来说，学生在学习物理过程中，物理概念的形成和对物理规律的认识，首先必须要有一定的感性认识，这种感性认识一方面来源于他们的生活环境，另一方面则来源于物理实验提供的物理事实，但通常生活中所观察的物理现象往往是力、热、电、光等现象交织在一起，本质和非本质的因素交融在一起，因此通过这种途径来使学生建立物理概念存在较大的困难甚至是错误的。例如，日常生活中常会见到较重的物体下落的比较快，学生结合自身的生活经验会得出这样的结论：质量大的物体先落地，这种错误的观点正是忽略了运动过程中所受的空气阻力的作用，而运用实验可以忽略空气在物体运动中的影响，正是因为实验能够提供精心选择的、简化和纯化的素材，所以它能够使学生对物理事实获得明确、具体的认识。再如介绍大气压时，学生很难感受到大气压的存在，而通过马德堡半球模拟实验，大气压存在的物理事实展现在学生面前，他们对大气压的概念理解就比较容易和接受了。

2.物理实验是培养学生的抽象概括能力的重要手段

在物理学中，抽象思维、概括能力具有十分重要的作用，它不仅是建立物理概念、获得物理规律、解决物理问题的重要思维方式，而且也是学好物理知识，培养各种能力的重要手段和必要条件。

例如电阻这一概念，学生从实验中直接取得几组数据，如何对这些实验数据进行分析，抽象，概括，形成电阻这一概念呢？首先研究一组数据，得出：对同一导体，加在它两端的电压和通过它的电流之比，是一个与电压、电流无关的恒量R，然后再对照其它几组数据可以得出同样的结论，于是可以初步概括如下：每个金属导体本身都存在一个恒量R，不同的导体具有不同的R值。这时，可以启发学生类比，同种物质它的质量和体积的比也是一个定值，不同物质的这个恒量也不同，这个恒量表征了物质的一种特性——密度。再让学生悟出这个不同恒量R也一定表征着导体的某种固有特性，接着引导学生对几组数据进行比较，可以概括出：在相同电压下，恒量R大的电流小，恒量R小的电流大，因此R的大小反映了导体对电流的阻碍作用，于是引出电阻这一概念。

二、物理实验培养学生的归纳和演绎能力

归纳要求先摆事实，后求结论，这是从个别到一般，寻求普遍事物一般规律和特征的认识方法。演绎是先假说，后求证，这是从一般到个别，推论和判断个别事例的认识方法。

物理中的归纳演绎能力就是要求能够从已知推导未知，通过大量的物理事实经过推理总结规律，或者先提出猜想和假设，再由物理实验证实是否正确，这是培养物理思维能力的重要方面。

例如，在“电阻定律”的探究实验中，首先利用前面所学的知识，通过逻辑推理来探究导体的电阻与导体长度，横截面积的关系，形成猜想和假设。

1.长度为L，电阻为R的导体，可以看成由n段长度同为L1，电阻为R1的导体串联而成，这n段导体材料、横截面积都先同，总长度L=nL1，另一方面，根据串联电路的性质可知：R=nR1，由此可知： R R1 = L L1 ，即在横截面积，材料相同的条件下，导体的电阻与长度成正比。

2.有n条电阻丝，它们长度，材料、横截面积相同。横截面积为S1，电阻同为R1，把它们束在一起，组成一根横截面积为S，电阻为R的导体，根据并联电路的特点：R= R1 n ，又因为S=nS1，由此可知： R R1 = S1 S ，即在长度，材料相同的条件下，导体的电阻和横截面积成反比。

其次根据实验要求，设计实验，验证假设：R与L，S的定量关系，最后对实验测量所记录的数据进行分析，从而形成规律：电阻定律。

再如万有引力的推导，就是从一般到特殊，再由特殊到一般，这就是演绎和推理。首先利用学生已知的事实，即向心力公式F=mω2r，开普勒行星运动定律r3=kT2，以及牛顿第三定律F=F′，推导出太阳和行星之间的引力规律即F=G m1m2 r2 ，其次假设地球与月球之间的引力及地球与地面上的物体之间引力是本质一样的力，同样遵循平方反比的规律，由于月球轨道半径约为地球半径的60倍，所以月球轨道上一个物体受到的引力，比它在地面附近受到得引力要小，只有后者的 1 602 。根据牛顿第二定律，物体在月球轨道上的加速度（向心加速度）也应该为它在地面附近加速度（自由落体的加速度）的 1 602 ，通过实测数据证实了太阳与行星之间、地球与月球之间，地球与地面上的物体之间的引力遵循同样的一个规律，最后在将推论推广到所有物体之间都存在着这种引力，这种根据实验事实演绎和推理而获得的新知识是培养思维能力的重要方法和途径。

三、物理实验可以培养学生的分析综合能力

物理概念、定律和定理不是一个一个孤立的，及时总结整理所学知识、掌握知识的内在联系使自己头脑中的知识成为有体系的知识，从整体上把握知识，综合运用知识去解决实际问题，这也是培养物理思维能力的主要目的。

电学实验“伏安法测电阻”就是用电压表测出电阻两端的电压U，用电流表测出通过电阻的电流I，再根据欧姆定律R= U I 求出电阻。实际测量中所用电表并非理想电表，电压表的内阻并非趋近于无穷大、电流表也有内阻，因此实验测量出的电阻值与真实值不同，存在误差，这就要求综合运用已有知识去分析电流表内接和外接这两种电路的误差并选用合适的电路进行测量。

由此可见，在学生学习物理的整个过程中，体现了从抽象概括形成物理概念，然后通过归纳演绎建立物理规律，最后通过分析、综合、比较去解决物理问题这样一个过程。在整个过程中，物理实验能够有效帮助学生学习物理创设环境，使学生主动获取知识，发展物理思维，提高解决问题的能力，在学习物理的过程中起到了举足轻重，同时也是不可替代的作用。endprint