初中物理科学探究的方法及应用

江苏省宝应县望直港镇中心初中 刘学山

物理是一门以观察和实验为基础的自然科学。2011 年版的《义务教育物理课程标准》在课程性质中指出：“此阶段的物理课程，应注意让学生经历实验探究过程，学习科学知识和科学探究的方法，提高分析问题和解决问题的能力。”根据这一要求，初中物理教学不再机械地要求学生对知识和技能的记忆性学习和重复性操作，而是要求他们运用探究科学问题的方法，验证已有的物理原理，探究知识的生成过程，这既是学好物理的本质要求，也是新课程改革的必然需要。常言道，方法比能力更重要。对刚刚接触物理学科的初中生来说，正确认识、熟练掌握以下常用的科学探究方法，并能将其综合运用到物理学习之中是至关重要的。

一、控制变量法

物理学中，一个物理量可能会受到多个物理量因素的影响和制约，对这种多变量问题的研究，我们一般采用控制变量法。控制变量法是把多因素问题分解为若干个单因素问题来研究的方法，为了明确这个物理量与某个因素的关系，每次只改变一个因素，而控制其余几个因素不变，逐个研究，最终全部综合解决。控制变量法是物理学科最常用的科学探究方法，广泛运用于初中物理各种探究实验之中。

【例1】图1是兴趣小组为“探究影响导体电阻大小因素”设计的电路，其中4根电阻丝的规格、材料如表1所示。

图1

表1

（1）在M、N间分别接入导体A和B，可探究电阻与___________的关系，若测得电流分别为IA=0.3 A、IB=0.2 A，则可得到的结论是___________________________。

（2）要探究电阻与横截面积的关系，可选择______和_______（选填编号）进行实验。

（3）小红在探究同样的课题时，手边只有一根金属丝，她利用这根金属丝和上述电路，不能通过实验验证电阻的大小与________的关系。

本题实验主要采用的就是控制变量法，导体的长度、材料、横截面积等因素，都可能影响导体电阻的大小。在这些相互关联的物理量之间，每个量的变化都受到另一个物理量的制约。在进行科学探究时，需要分别控制其他物理量相同。在探究本实验时，每次只需要改变长度、材料、横截面积中的一个因素，同时控制另外两个因素不变即可。

初中物理需要运用控制变量法探究的知识内容很多，以人教版初中物理教材为例，典型实验如表2 所示。

表2

二、理想模型法

研究物理问题时，常把研究对象称之为模型，把确立研究对象的过程，称之为建模。人们往往根据具体情况建立不同的物理模型，如用磁感线描述磁场；用电路图表示各种电路元件的连接情况；用一根带箭头的直线表示光线。运用类似研究方法的还有力的示意图、原子结构模型等。它们都是在观察和实验的基础上，为了突出主要因素而忽略次要因素，采用理想化方法创造出来的物理模型。理想模型法能把学生难以理解的复杂物理问题，转化成容易接受的简单物理情境，便于学生对物理问题的探讨和理解。

【例2】自从汤姆逊发现了电子，人们便开始研究原子的内部结构。科学家提出了许多原子结构的模型，在二十世纪上半叶，最为大家接受的原子结构与图2中的哪一个最相似？（）

图2

利用模型理解物质结构或物理现象，可以使学生形象、直观、具体地处理复杂的物理问题。但是这种模型也不是凭空想象的，而是建立在一定科学意义的基础上的。在物理教学和实际研究过程中，理想模型法还有另外一种运用方式，那就是对研究对象的运动条件或运动过程进行近似处理，使之成为理想的过程，并用理想过程来研究物理问题，降低学生的理解难度，如匀速直线运动、摩擦力忽略不计的光滑平面、不计空气阻力的物体运动、不计重力的轻质杠杆等。在初中物理教学过程中，能让学生学会建构模型或透过现象识别模型，是解决复杂物理问题的关键所在。学生学习物理的不断进步，物理学科的持续发展，本身就是一个不断建立物理模型、理解物理模型、改革物理模型的动态发展过程。

三、等效替代法

物理学科中的等效，是指不同的物理现象和物理模型，它们在形成过程或物理规律方面是相同的，可以相互替代，而保证得出的结论相同。等效替代法，就是面对一个较为复杂的、难以理解和难以常规处理的物理问题时，在保证效果相同的情况下，提出一个简单的方案或设想，化难为易，将其转化成简单的、熟悉的、容易处理的问题，找出其中规律，从而使复杂的问题得到简化而便于求解。历史故事中的“曹冲称象”就是典型的等效替代法具体而生动的应用。

【例3】小清设计的测量某一待测电阻Rx阻值的电路如图3甲所示，图中电源电压保持3 V不变，滑动变阻器R的规格为“50 Ω 1 A”。

图3

他的测量步骤如下：

第1步：只闭合开关______，调节_____（选填“R”或“R0”），使电压表示数为2 V。

第2步：只闭合开关______，保持_____（选填“R”或“R0”）不变，调节_____（选填“R”或“R0”），使电压表示数仍为2 V，读出此时电阻箱接入电路中的阻值（如图3乙），则待测电阻的大小为______Ω。

初中物理常用伏安法测量未知电阻的阻值，但对于阻值较大的待测电阻，由于电路中电流太小，导致误差很大，用等效替代法就能很好地解决这一难题。等效替代法的应用还有研究合力，研究等效电路，用排开液体的方法测物体体积，研究串、并联电路的总电阻等。在探究平面镜成像的实验中，人们利用透明玻璃板代替平面镜，还利用另一根完全相同的蜡烛来替代玻璃板前蜡烛所成的像，非常顺利地总结出了平面镜成像的特点，教学效果也非常好。

四、转换法

无风树不动，有风树枝摇。通过空气的流动，即刮风所产生的作用效果来认识空气，这种研究问题的方法就是转换法。转换法将一些抽象的现象，看不见、摸不着的物质，或不便于直接测量的物理量等，转换为学生看得见、摸得着、感觉得到的或便于直接观察和测量的宏观现象来认识它们。用形象代替抽象，用有形代替无形，是转换法的最本质特征。

【例4】如图4所示，在探究“物体动能的大小与哪些因素有关”的实验中，让同一铁球从斜面的不同高度由静止释放，撞击同一木块。请回答下列问题：

（1）该实验是研究_____（选填“铁球”或“木块”）动能的大小与______的关系。

（2）本实验用到的物理方法是：________，________。

（3）让同一铁球从斜面的不同高度由静止释放的目的是___________________。

（4）该实验是通过观察_____________________来比较铁球动能的大小。

（5）通过图4甲、乙的实验探究可以得出的结论是____________________________。

图4

本实验通过木块被铁球碰撞后移动的距离来比较铁球动能的大小。初中物理实验中类似的还有根据电流产生的作用，即电流的效应来判断导体中是否有电流通过；通过磁场对放入其中的小磁针的作用来认识磁场；通过墨水的扩散现象来认识分子和分子的运动；研究液体压强时，通过U 型管两边液面高度差来表示压强的大小；研究影响电流热效应的因素时，通过温度计示数的变化量来反映电流通过导体时产生热量的多少；用液体热胀冷缩时体积的变化来反映物体的冷热程度；用浮力表示物体表面受到的压力差；用电磁铁吸引大头针数目的多少来研究电磁铁磁性的强弱等。

五、图像法

利用图像处理数据，是科学探究的常用方法之一。图像是一个数学概念，在物理学中，常采用数学中的函数图像，来直观、形象地表示一个量随另一个量的变化关系或物理变化过程和物理量之间的变化关系，把物理问题清晰地展现出来，大大减少了复杂的数学运算。在初中物理中，晶体和非晶体的熔化、凝固，水的沸腾等，都可以用温度和时间图像表示物理现象和物理量之间的变化关系，进而反映熔化、凝固、沸腾这些物态变化过程的特点。

【例5】图5甲是“探究某种固体物质熔化特点”的实验装置，图5乙是根据实验数据描绘出的该物质在实验过程中温度随时间变化的图像。

（1）在实验中，用烧杯中的热水加热试管中的固体物质，好处是______________________________________；由图5乙可知，该物质是__________（选填“晶体”或“非晶体”），依据是_________________________________。

（2）实验中，应始终注意观察试管中物质的______变化，并每隔0.5 min记录一次温度计的示数，研究_______________________________________________________。

（3）图5乙中，该物质在t1时具有的内能_______（选填“大于”“等于”或“小于”）在t2时的内能。

（4）学习结束后，实验小组的同学继续研究了a、b两种固态物质的熔化过程，作了a、b两种物质温度随时间变化的图像，如图5丙所示，并得出了a、b不属于同一类固体的结论，你认为他们的结论是否正确？________________，理由是_________________________________。

图5

解此类图像题，首先要看清横坐标和纵坐标表示的物理量及标度。在此基础上，再观察图像本身是直线还是曲线，并根据图像确定物理量的变化趋势，明确各线段所表示的物理量是什么，它是如何变化的。然后，观察图像的起点、终点及中间的转折点，弄清各点所表示的物理意义。最后，针对题目中所提出的问题，加以比较分析，综合解决。各地的考题中涉及的图像类题目，通常还有通过体积和质量图像，考查有关密度的问题；通过温度和时间图像，考查有关物质比热容的问题；通过功和时间图像，考查有关功率的问题；通过物体燃烧放出的热量多少和质量图像，考查有关热值的问题；通过电流和电压图像，考查有关电阻、电功率的问题等。

除了以上一些研究方法外，初中物理实验还常常用到观察比较法、实验推理法和类比法等。物理教学离不开实验，实验必须依靠科学的探究方法。作为物理教师，我们要优化教学方法，整合信息资源，帮助和启发学生采用最科学、最合理、最有效的探究方法，为学生的科学探究提供支持，激发他们的学习兴趣，培养他们的创新能力。