初中物理中的定性与半定量方法，本文主要内容关键词为：定量论文,物理论文,初中论文,方法论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在学生刚接触物理学的初中阶段，在物理教学中渗透这种定性与半定量的分析解决物理问题的方法，让学生长期耳濡目染，以期潜移默化，从而为学生定性与半定量分析解决物理问题能力的发展铺平道路。 一、质与量的关系 从哲学上看，任何事物都既有质又有量。从质与量的关系来看，质与量是事物的两个不同方面，质是量的前提与基础，而量是质的量度与描述。质与量是相互依存的，既无无质之量，亦无无量之质。世间万物都是质与量的统一体。 二、定性认识与定量认识 既然任何事物都既有质又有量，那么要比较全面地认识事物就既需要从质的方面的定性认识，又需要从量的方面的定量认识，二者不可或缺。否则，我们对事物的认识就既不可能全面，也不可能深入。 从两种认识的差异上来看，定性认识往往侧重于事物的整体，善于把握事物的质，因而从方法上来讲，定性认识侧重于综合；定量认识往往侧重于事物的部分，长于描述事物的量，因而从方法上来说，定量认识侧重于分析。 从认识事物的过程来看，我们通常是先进行定性认识，而后才接着进行定量认识。定性认识是定量认识的前提与基础，并为定量认识指明方向；而定量认识又是对定性认识的进一步深化，同时也为新的定性认识做好铺垫。由定性认识到定量认识，再由定量认识到新的定性认识……如此反复多次，人们对事物的认识才得以日臻全面并不断深化。 三、定性与半定量方法 “当一位成熟的物理学家进行探索性的科学研究时，常常从定性的或半定量的方法入手。这包括对称性的考虑和守恒量的利用、量纲分析、数量级估计、极限情形和特例的讨论、简化模型的选取，以至概念和方法的类比，等等”[1]。 四、定性与半定量方法在初中物理教学中的渗透 1.物理状态的定性分析 例如“静液佯谬”问题。如图1所示。
我们对各容器中水的受力情况进行分析：A容器侧壁对水的压力在水平方向上，其合力为0；B容器侧壁对水的压力垂直于侧壁向上，其合力方向向上；C容器侧壁对水的压力垂直于侧壁向下，其合力方向向下。这样，我们就很容易理解A容器中水对容器底的压力等于水的重力；B容器中水对容器底的压力小于水的重力；C容器中水对容器底的压力则大于水的重力。 2.物理过程的定性分析 例如“液面升降”问题。如图2所示，不大的湖面上漂浮着一艘满载石头的小船。若投石入水，则湖水水面高度将如何变化？
由于这一实际物理过程较为复杂，我们便通过理想化方法设计一个理想物理过程来取代之，并通过对理想物理过程的定性分析来推测结果。设想将船中石块用细绳系于船底，则细绳上必有拉力，但水面高度不会发生变化。若将细绳剪断，则石块必沉于湖底，而船体必然上浮。很明显，“石块下沉并沉于湖底”本身不会对水面高度产生影响；而“船体上浮”则必导致湖水水面高度下降。所以，总的来说，湖水水面高度会下降。 3.极限情形 我们再看一个“液面升降”问题。如图3所示，一块里面包含一小铁块的冰漂浮在杯中水面上。若冰熔化成水，小铁块沉到杯底，则杯中水面高度变化情况如何？
分析：很明显，该题与前一题在本质上是同一题。当然，利用前一题的解题方法也同样可以解决。这里，我们换一个思考问题的角度，从极限思想的角度来解决这个问题。即使冰块中没有小铁块，冰块露出水面的体积也仅占其总体积的1/10，所以才有“冰山一角”之说。现在，冰块中有小铁块，可以想见，冰块露出水面的体积就更小了。取其极限，令冰块露出水面的体积趋于0，则冰块熔化成水时体积变小，这导致杯中物体的总体积减小。因此，杯中水面高度肯定下降。 因为0～4℃的水反常膨胀，所以并非所有物质都热胀冷缩；由于
，因而并非所有物质处于固态时的密度都大于其处于液态时的密度；机械能的转化和守恒定律就是能的转化和守恒定律的特例…… 5.对称性的考虑 先说一个力学中的例子。如图4所示，两块相同的竖直放置的木板夹住两块相同的砖A、B。木板和砖都处于静止状态。若一块砖的重力为G，那么砖A对砖B的摩擦力
及砖B对砖A的摩擦力
分别有多大？这两个力的方向如何？
分析：我们很容易从图4看出，这是一个具有对称性的问题。由对称性可知，砖A、砖B的受力情况也肯定是对称的，所以
、
必大小相等且同向。又由于
、
是一对相互作用力，所以
、
必大小相等且反向。这样一来，
、
就只好都为0了。拓展一下，解决两木板之间夹偶数块砖的情况就水到渠成了；同时，通过对称性分析，两木板之间夹奇数块砖的情况也就迎刃而解了。 再谈一个电学中的问题。如图5所示，电路完好，闭合S，滑片P从a滑到b。则
示数变化情况应为图6中的（ ）
分析：很显然，这也是一个具有对称性的问题。由对称性可知，
示数的变化也应该具有对称性，所以答案A、B肯定是错误的。不难分析，正确的答案是C。 初中物理中的对称性实例非常丰富。用放大镜放大物体时，发现放大镜不能放大角度；如下页图7所示，大小不同的两块冰漂浮于水面，则它们各自浸入水中的体积与它们各自的体积之比相等；一滴水与一桶水相比，其密度相同，比热容相同……这些都可以看作是对称性中的“标度对称性”问题。至于镜像对称性，实例就更多了。如平面镜成像就是典型的镜像对称性实例，属于空间面对称。如图8所示。此外，还有许多属于空间轴对称的实例。如图9所示。
6.守恒量的利用 这里，我们说一个电学中的能量守恒问题。若一节新干电池储存电荷量为Q=1500 C，那么，用两节同样的新干电池分别串联、并联对小灯泡供电，如图10所示。则串联电池组、并联电池组分别可对外提供电能________J、________J。
分析：由于学生常常误以为图10（a）中的串联电池组对外提供电荷量为2Q=3000 C，套用公式W=UQ，结果发现，两节干电池串联时能够对外提供的电能竟是并联时的二倍达9000 J！当然，这是错误的。我们在得出一节新干电池对外提供电能2250 J后，直接根据能量守恒判定，串联电池组、并联电池组均可对外提供电能4500 J。 在初中物理教学中，教师在讲解功的原理、机械能的转化和守恒定律、能的转化和守恒定律等内容时，都可以渗透“利用守恒量”来解决物理问题的方法。 7.数量级的估计
利用大气压强（约
Pa）来估算，这个问题不难解决。答案为C。 8.量纲分析 有关并联电路的电阻问题，下列说法中正确的有（ ）
9.简化模型的选取 如图11（a）所示，平行放置的两块相同的铜板A、B（其电阻不计）之间接有一块直角梯形电阻片。测得A、B之间的电阻为10 Ω。若再在A、B之间接一块相同的直角梯形电阻片，且两块直角梯形电阻片之间没有空隙，结果形成一片矩形电阻片。如图11（b）所示。则这时A、B之间的电阻可能是（ ） （A）10Ω （B）6Ω （C）5Ω （D）4Ω
分析：毫无疑问，若两块直角梯形电阻片不接触，如图11（c）所示，则此时A、B之间的电阻恰好5 Ω。可是，两块直角梯形电阻片已经结合在一起，形成一片矩形电阻片了！这怎么办呢？我们可以通过选取简化模型来定性地解决这个问题。对于图11（a），如果我们把电阻片从AB的中间且平行于A、B两板切开的话，显然左半片电阻小，而右半片电阻大。于是，我们就可以用如图12（a）所示电路——简化模型——来代替如图11（a）所示电路。同理，分别选用如图12（b）、图12（c）所示电路来代替如图11（b）、图11（c）所示电路。 这样，我们很容易看出，图12（b）中A、B之间的电阻只有4 Ω；而图12（c）中A、B之间的电阻却有4.5 Ω。说到这里，问题的答案就出来了。正确的答案为D。
10.概念和方法的类比 在初中电学教学中，我们经常用“水路”类比电路，用水管两端的“压强差”类比电压，以“水流”类比电流，以“水的流量”类比电流强度，以“水管对水流的阻碍作用”类比导体对电流的阻碍作用……这就是概念的类比。 同样，我们也可以用“概念和方法的类比”来解决前一个问题。把直角梯形电阻片类比成一座架在河岸A、B之间的桥，如图13（a）所示。如图11（c）所示电路则可看做是两座同样的桥的并联，如图13（c）所示。显然，图13（c）中桥的通行能力是图13（a）中桥的通行能力的二倍，其阻碍作用只是对方的一半。而图11（b）所示电路则可看做是两座同样的桥的并联，并拆掉了两桥之间的栏杆，如图13（b）所示。显然，图13（b）中桥的通行能力比图13（c）中桥的通行能力强，即其阻碍作用比对方小。 说到这里，这个问题就非常明了了。
毫无疑问，初中物理中还有大量的定性与半定量问题。愿我们物理教师在教学实践中尽可能地渗透定性与半定量的物理方法，以唤醒学生应用定性与半定量方法分析解决物理问题的意识，培养学生应用定性与半定量方法分析解决物理问题的能力。这样坚持下去，学生在这样的物理教学氛围里长期熏陶，便会有意无意地尝试、模仿。他们很可能也会因为发现诸如“水结冰初期的分形”等物理现象而惊叹；很可能也会因为应用定性与半定量方法解决了一个现实物理问题而欣喜……毋庸置疑，学生的这种有意无意地尝试、模仿肯定有利于他们应用定性与半定量方法分析解决物理问题能力的发展。 编辑手记：定性和半定量分析是探索性研究物理问题的基本方法。本文从赵凯华教授所著的《定性与半定量物理学》一书中得到启发，通过典型例题介绍了极限、类比、简化模型、对称性的考虑、守恒量的利用、数量级估计和量纲分析等定性和半定量分析方法，基本囊括了初中物理定性和半定量分析物理问题的方法。长期在教学中渗透这些方法，对于提高学生解决问题的能力和基本的物理素养大有益处。
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