巧用比值法培养学生的科学思维能力

严桂华

(江苏省溧水高级中学附属初级中学,江苏 南京 211200)

《义务教育物理课程标准(2011年版)》指出：物理学不仅含有人类探索大自然的知识成果，而且含有探索者的科学思想、科学方法、科学态度和科学精神等。初中生通过学习物理，其科学思维能力会得到培养，能更好地解决新问题。比值在物理概念、规律中经常出现，在初中物理教学中运用比值法比较物理量大小、发现物理规律，将会更好地帮助学生理解所学物理知识，培养他们的科学思维能力。

1 运用比值法比较物理量大小

在苏科版初中物理教材中，许多定义都运用了比值法，如速度、压强、比热容、功率等，现以“速度”一节的教学为例进行说明。

在教学中，教师先指出速度是描述物体运动快慢的物理量，进而开始速度公式的探索过程。

师：两位同学正在赛跑，作为观众，你如何比较两位同学跑步的快慢？

生：相同时间比路程，路程大的同学跑得快。

师：作为裁判，他如何比较两位同学跑步的快慢？

生：相同路程比时间，用时短的同学跑得快。

师：现在有两位同学赛跑，一位同学在2s内跑了14m，另一位同学在3s内跑了24m，谁快谁慢？

此时学生会想到用路程除以时间，前者结果为7m/s，后者结果为8m/s，后者快。

教师追问：那么7m/s和8m/s分别表示什么？

生：前者表示一位同学用时1秒跑了7米，后者表示另一位同学用时1秒跑了8米，所以第二位同学快。

教师总结：也就是在解决这种问题时可以转化为采用哪种方法？

生：相同时间比路程。

师：怎么转化的？

生：用路程除以时间。

教师板书“比值”，指出：它越大，表明该同学跑得越快，我们把这个比值叫做速度。

此时，自然提出了速度的定义。

师：刚刚我们是如何把不同时间转化为相同时间的？

生：除以时间。

师：除以时间后便转化成了相同的时间。那么在其他的情境中，我们也可以采用类似的方法，把不同的量转化成相同的量，只要除以对应的量，从而统一标准，就能得出比值，进行比较，我们把这种方法叫做比值法。

同理采用这一方法可引出压强定义，比较符合学生的认知特点，以下以“压强”的教学为例予以说明。首先引导学生进行实验探究，得出压力的作用效果与压力大小、受力面积的关系：当受力面积相同时，压力越大，作用效果越明显；当压力相同时，受力面积越小，作用效果越明显。

接下来引导学生运用这一结论分析3道题目。

题1：甲、乙两个物体平放在地面上，它们与地面的接触面积都是10cm2，不同的是甲所受重力是10N，而乙所受重力为4N，那么谁对地面的作用效果更明显呢？

学生根据实验结论很快便能够找到方法：相同面积比压力，压力越大，作用效果越明显，所以答案是甲同学对地面的作用效果更明显。

题2：甲、丙两个物体平放在地面上，它们的重力都是10N，但甲与地面的接触面积有10cm2，而丙有50cm2，那么谁对地面的作用效果更明显呢？

学生很快发现：相同压力比面积，面积越小，作用效果越明显，甲物体对地面的作用效果更明显。

题3：乙、丙两个物体平放在地面上，乙重4N，丙重10N，乙与地面接触面积是10cm2，丙是50cm2，那么谁对地面的作用效果更明显呢？

教师提问：面积、压力均不同，如何比较两者对地面的作用效果呢？

在学生思考后，教师可以引导学生回忆“速度”知识，时间、路程均不同时如何比较运动快慢？学生会想到运用比值法。思维快的学生会提出：用压力除以受力面积，思考慢的学生不妨给他们时间重复计算比值：对于乙物体，4N除以10cm2等于0.4N/cm2，丙物体呢？10N除以50cm2等于0.2N/cm2。所以，乙物体对地面的作用效果更明显。在此基础上教师引出比值，给出压强的定义。

这两个教学片断都是运用比值法比较物理量的大小，从而引出定义，这也是基于比较的方法，在异中求同、同中求异、同异综合的过程中分析、比较。教师应重点强调该方法的核心：先要比，就是除，通过除的方法，把不同的量转化成相同的量，从而能统一标准；比之后得到一个值，我们再对该值进行比较即可。而在这一过程中学生学会的不仅仅是速度的定义，也学会了比较物理量大小的方法。

2 运用比值法发现规律

在研究物理问题时，常会遇到这样的情况：某两个(或几个)量在一定条件下成正比，其比值是一个常量，这个常量正好反映了事物的本质属性。因此，利用这个比值可以对描写事物本质属性的概念下定义。运用比值法发现规律的方法正是基于这一认识，下面是笔者在“密度”教学中，运用比值法寻找物质特性方面的规律，从而引出密度的定义。

首先学生由生活经验进行猜想与假设，对于一枚、两枚……相同的硬币，硬币的枚数增大几倍，质量也相应地增大几倍。由于一枚硬币的体积一定，因此我们可以推测：质量与体积可能成正比。那么，由其他物质组成的物体，质量与体积是否也满足这种关系呢？

学生进行小组合作，每个小组选择两种不同的物质(如铁和塑料、铜和铝等)，每种物质各选三个体积不等的长方体。学生用天平测量物体的质量，用刻度尺测量、计算物体的体积，并将测得的数据记录在表格中。学生根据测得的实验数据，对以下问题进行交流与讨论：

(1) 同种物质构成的不同物体，质量与体积的比值是否相等？质量与体积成正比吗？

(2) 不同物质构成的物体，质量与体积的比值是否相等？

在探究、讨论的基础上，学生发现了其中的规律：同种物质构成的不同物体，质量与体积的比值为定值；不同物质构成的物体，质量与体积的比值一般不相等。物体质量与体积之比反映了组成该物体的物质所特有的性质。在此基础上，引出了密度的定义。

在运用比值法寻找规律的过程中，学生发现了新的定义，更重要的是学生学会了研究问题的方法。

3 运用比值法概括规律

欧姆定律因涉及电压、电流、电阻3个概念的定量关系，是教学的难点，在这节课前，学生已经了解这3个概念，“欧姆定律”的教学是对这3个概念关系的“收网”，故而对学生的思维要求较高。在理解教材的基础上，运用比值法，概括出欧姆定律将变得顺理成章。

笔者在课堂上设计表格，将学生探究得出的电压、电流、电阻数据填入，学生很快会概括出其中的规律：电压与电流的比值大小等于电阻的大小，进而引入相关公式便显得水到渠成。

4 比值法的巧妙运用

“比热容”也是初中物理教学的难点，如果教师巧用比值法，将会有种柳暗花明的感觉。

在实验中换用不同质量的水，仍用原来的酒精灯加热，具体操作过程如下:增加一组器材，加热的仍然是水，但烧杯内水的质量是原来烧杯内水质量的2倍，实验数据如表1。

表1

首先，对水与沙子的数据进行比较，得到结论：质量相等的沙子和水升高相同的温度，水吸收的热量更多，吸热能力更强；再推广这一结论：不同物质在质量相等、升高温度相同的条件下，吸收的热量一般不相等。

其次，对水的两组实验数据进行分析：(1) 单独分析表2中第2组数据，在0-2 min内水的温度升高16 ℃,在0-4 min内水的温度升髙31 ℃，若控制水的质量不变，加热时间变成原来的2倍，则水升髙的温度大约也变成原来的2倍。(2) 再比较第2组和第3组前2 min的数据，控制加热时间相同，即吸收热量相同，水的质量变为原来的一半，而升高的温度大约变为原来的2倍。

综合分析，得出结论：同种物质吸收的热量与它的质量和升高温度的乘积之比相等,即该比值描述了物质的一种物理属性，其大小与物体的质量大小、吸收热量的多少、温度变化的大小无关。在此基础上，可以引导学生对第1、2组数据进行分析，可得出结论:不同物质吸收的热量与它的质量和升高温度的乘积之比不等。正如我们发现同种物质的比值为定值而引入“密度”来描述这种特性一样，也引入一个新的物理量——比热容c来描述今天的发现。

教师在教学中巧用比值法，引导学生自主建构物理概念、总结物理规律，将有益于学生科学思维能力的提升。