對人教版教材中幾個物理規(guī)律的重構建議

對人教版教材中幾個物理規(guī)律的重構建議

一、問題的提出在高中物理新課程標準中，把科學探究和科學內(nèi)容放到同等重要的地位，明確提出讓學生“經(jīng)歷科學探究過程，認識科學探究的意義，嘗試應用科學探究的方法研究物理問題”?；谶@一理念，人教版教材突出了規(guī)律的建立過程。但在教學中發(fā)現(xiàn)，由演繹方法建立起的部分物理規(guī)律之中，存在著以特殊模型為前提演繹得出一般物理規(guī)律的現(xiàn)象；而對于由實驗歸納方法建立起的部分物理規(guī)律之中，教材往往直接指出如何進行歸納，而沒有充分體現(xiàn)過程與方法。二、對幾個物理規(guī)律的重構建議在人教版教材中，《動能定理》《焦耳定律》《閉合電路歐姆定律》三個物理規(guī)律都是以特殊模型為演繹起點、通過理論演繹建立起的一般規(guī)律，而演繹方法的規(guī)則是由一般到特殊，故教材的呈現(xiàn)方式隱含著邏輯問題；《楞次定律》是通過實驗歸納方法建立起來的，但在對實驗現(xiàn)象進行歸納時，沒有充分運用科學方法引導學生進行探究，而是直接提示學生通過“中介”——“感應電流的磁場”來進行歸納。有鑒于此，建議對它們的呈現(xiàn)方式進行重構。1.對動能定理的重構建議（1）教材分析動能定理是通過理論演繹的途徑建立起來的，具體過程如下：上述演繹推理的大前提是牛頓第二定律，小前提是物體做勻變速直線運動，那么，由此演繹得出的的適用條件自然是與小前提相同的，因此，我們不能將其稱之為動能定理。盡管教材此后也就物體受多個力作用及曲線運動情況作了說明或提示，但仍然不是對動能定理真正意義上的建構，故有必要對其呈現(xiàn)方式進行重構。（2）重構方案由于學生知識結構的限制，在高中階段不可能運用理論演繹的方法建立起動能定理，為此，建議根據(jù)分類方法，分別就直線運動與曲線運動兩類情況設計的遞進性問題鏈，變理論演繹為演繹與歸納相結合，引導學生在問題解決中“發(fā)現(xiàn)”動能定理。類型一：直線運動問題1在圖1所示的水平面上，如果物體與水平面間有摩擦力作用，物體的動能變化量與什么功相對應？通過對此問題的探究，把的適用范圍推廣至多力做功情況，此時的W為合外力所做的功，同時能使學生產(chǎn)生問題意識，即：這一結論是否具有普遍性？是否適用變力、曲線運動情況？從而生成新的問題。通過對它的探究，引導學生建構起多過程問題中功和動能變化量的關系，并把單過程中的合外力功W擴展至各過程中功的代數(shù)和，從而加深了對功W的理解。問題3如果物體在粗糙的水平面上運動時，受到的水平作用力F是變化的，則物體的動能變化量又與什么功相對應？這是由問題2衍生出的直線運動中更為一般的問題，通過問題2的啟發(fā)，學生能運用微元法進行演繹推理，并得出。在上面三個問題中，對應的物理模型都是在水平面上的運動物體，對于其他類型的直線運動，學生也容易得出的結論，從而通過問題解決建構起直線運動中功與動能變化量間的關系，那么此結論對于曲線運動是否成立？如果成立，我們就發(fā)現(xiàn)了一條新的物理規(guī)律，由此生成類型二的問題。類型二：曲線運動問題4從高為H處將一物體以一速度沿水平方向拋出，重力對物體所做的功與物體的動能變化量之間存在什么關系？以此問題為支架，讓學生進一步體會物理科學方法在探究過程中的作用，實踐表明，學生對此問題能從兩個角度進行探究，一是運用“猜想—檢驗”模式，先提出假說“重力對物體做的功等于物體動能的變化量”，然后運用平拋運動知識進行檢驗；二是運用微元方法，化曲為直，進行演繹推理。同時，也使學生意識到要建立一個新的物理規(guī)律，還需要對一般的曲線運動進行分析，從而衍生出問題5。問題5如果物體做曲線運動，且受到變力作用，則物體的動能變化量又與什么功相對應？對此，學生運用類比方法得出。在對以上兩類問題探究的基礎上，引導學生進行理論歸納，進而在問題解決中建構起具有普遍意義的動能定理。2.對焦耳定律的重構建議（1）教材分析在物理學史上，焦耳定律是由焦耳通過實驗歸納方法得出的。而在新教材中，沒有重現(xiàn)物理學史，而是以電流通過純電阻元件為前提，通過理論演繹方法對其進行重構，具體的邏輯關系如圖4。顯然，上面推理過程的大前提是普遍適用的電功公式W=IUt，小前提是電流通過純電阻元件，因而得到的結論Q=Rt也只適用于純電阻元件，而由實驗歸納方法建立起來的焦耳定律是適用于任何電路元件的，故需要對其呈現(xiàn)方式進行重構。（2）重構方案盡管運用理論演繹方法在建立焦耳定律時面臨邏輯問題，但在課堂教學中，完全重現(xiàn)焦耳的實驗歸納方法也是不可取的，因為在運用實驗歸納方法時，要面臨諸如實驗類型、精度等一系列問題。為此，建議運用理想實驗與真實實驗相結合方法來建構焦耳定律，具體內(nèi)容如下。①通過定性分析，得出影響焦耳熱的物理量有R、I、t。②理想實驗的設計及其思維操作。在上面設計的理想實驗中，為探究焦耳熱Q與時間t的關系，運用了倍增方法和控制變量法，把待探究的時間設計為的整數(shù)倍，便于學生發(fā)現(xiàn)焦耳熱Q與時間t的關系，下面兩個理想實驗的設計思想與此相同。③焦耳定律的建構。在對上面的理想實驗的思維操作基礎上，再運用綜合方法，可建構起焦耳熱Q與I、R及時間t的關系為Q=kRt，其中常數(shù)k可由實驗確定，從而運用理想實驗等科學方法建立起焦耳定律。3.對閉合電路歐姆定律的重構建議（1）教材分析教材的編寫思想是通過理論演繹把能量守恒定律與閉合電路歐姆定律聯(lián)系起來，充分體現(xiàn)功和能的概念在物理學中的重要性，同時又能幫助學生形成完整的認知結構?；谶@一思想，教材以純電阻電路為前提，運用能量守恒定律建立起閉合電路歐姆定律，其邏輯關系如圖8所示。（2）重構方案在運用能量守恒定律進行理論演繹時，應該遵循理論演繹的規(guī)則，即從一般情況出發(fā)，導出相應的規(guī)律，然后再運用理論演繹得出純電阻電路中的閉合電路歐姆定律，具體方式如下。對于圖9所示的電路，電源電動勢為E，內(nèi)阻為r，方框內(nèi)元件性質(zhì)未知，電路中的電流為I，路端電壓為U。①在時間t內(nèi)，外電路中消耗的電能E外為多少？②在時間t內(nèi)，內(nèi)電路中電能轉化成內(nèi)能E內(nèi)多少？③在時間t內(nèi)，電源中非靜電力做的功W為多少？④根據(jù)能量守恒定律，W與E外、E內(nèi)的關系是什么？4.對楞次定律的重構建議（1）教材分析本節(jié)教材的編寫是以問題與問題解決為紐帶，引導學生從發(fā)現(xiàn)問題→分析問題→解決問題等步驟去掌握知識，意在突出科學探究，著眼于學生探究能力的提高，其教學流程如下：其中重溫的實驗如圖10所示，而且運用草圖記錄相關信息，以便歸納出楞次定律。在運用圖10所示的實驗進行歸納時，面臨一個關鍵問題，就是如何從眾多的物理現(xiàn)象及實驗因素中尋找歸納的方向，對此，教材直接提出：“是否可以通過一個‘中介’——‘感應電流的磁場’來表述這一關系”，以此引導學生歸納出楞次定律。但問題的關鍵是，我們是怎么想到從原磁場方向與感應電流的磁場方向的關系進行歸納的？（2）重構方案根據(jù)分類方法，影響感應電流方向的因素有如下三類：一類是外部因素（磁場強弱、磁場方向、磁鐵運動方向、磁通量變化等）；第二類是自身因素（線圈粗細、線圈的繞制方式等）；最后是自身與外部相互聯(lián)系的方式。在探究感應電流方向與哪些因素有關時，需要圍繞這三類因素設計一些針對性的問題，讓學生在問題解決中，提出猜想，設計實驗，修正猜想，最終“發(fā)現(xiàn)”楞次定律，具體方案如下。①探究感應電流方向與外界因素之間的關系。問題1感應電流方向與磁場變化快慢有無關系？設計實驗驗證你的猜想。問題2感應電流方向與磁感應強度大小有無關系？設計實驗驗證你的猜想。問題3分析圖10甲和圖11所示的實驗現(xiàn)象，說明影響感應電流方向的外界因素有哪些。設置問題3的目的是引導學生對兩類電磁感應問題的共同的外部特性進行歸納，總結出影響感應電流方向的外部因素是磁場方向和磁通量的變化，從而為進一步探究奠定基礎。②探究感應電流方向與自身因素之間的關系。為了探究感應電流方向與自身因素的關系，可設置以下兩個問題。問題4試猜測感應電流方向與線圈的粗細、匝數(shù)是否有關，設計實驗驗證你的猜想。問題5感應電流方向與線圈的繞行方向是否有關？設計實驗驗證你的猜想，并把實驗信息記錄在草圖上。通過問題5，引導學生提出猜想，并通過控制變量法，在保證磁場方向和磁通量變化方式相同的情況下，設計出圖12所示的實驗對猜想進行檢驗，進而研究感應電流方向與繞行方向的關系。根據(jù)實驗所記錄的信息發(fā)現(xiàn)，在線圈的繞行方式變化時，回路中的感應電流方向也隨之變化，但是線圈中的電流繞行方向是不變的，此時引導學生探究在線圈的繞行方式變化時，什么因素是不變的？實踐表明，按此方法重構后，學生能尋找到以“感應電流的磁場方向”為中介進行歸納，于