高 俊
江蘇句容高級中學(xué),江蘇省句容市212400
摘要:本文主要論述了比較研究在學(xué)生的創(chuàng)新型學(xué)習(xí)中發(fā)揮的作用,并通過典型高考試題探討了如何利用比較研究促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新型學(xué)習(xí),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。
關(guān)鍵詞:比較研究;科學(xué)發(fā)現(xiàn);創(chuàng)新型學(xué)習(xí)
中圖分類號:G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1003-6148(2009)3(S)-0010-3お
比較研究是人類進(jìn)行科學(xué)研究的基本方法之一。本文通過幾個實例探討如何利用比較研究,培養(yǎng)學(xué)生自主探究能力和創(chuàng)新精神。
1 用物理學(xué)家的研究范例引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入創(chuàng)新型學(xué)習(xí)的啟蒙期
物理規(guī)律一般隱藏于自然現(xiàn)象中,它并不會清晰地呈現(xiàn),需要人們艱苦的探索與發(fā)現(xiàn)、觀察與思考才能獲得。如對力與運動關(guān)系的認(rèn)識,亞里士多德的“力是維持物體運動的原因”的觀點統(tǒng)治人類達(dá)兩千多年之久。直到伽利略時代,科學(xué)家們才對物體的運動現(xiàn)象進(jìn)行了深入的探究,并得出以下觀點:
①被推動的物體在推力停止作用后,物體并不是立即停止運動而是要繼續(xù)向前運動一段距離。
②為什么會停下呢?(因為受到摩擦作用的緣故)。
③如果沒有摩擦?xí)l(fā)生什么現(xiàn)象?(伽利略作了大膽的推想——伽利略理想實驗)
④創(chuàng)造性地提出了新的理論(最后由牛頓總結(jié)得出)。
再如,天體研究史上,觀察與思考緊密結(jié)合的實例——第谷與開普勒:第谷是天才的觀察家,開普勒是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)思想家。開普勒根據(jù)第谷多年觀察獲得的詳盡數(shù)據(jù),通過對比研究,他憑8分的角度偏差否定了天體做圓周運動的觀點,創(chuàng)造性地提出了“天體運動橢圓軌道定律(開普勒第一定律)”。X射線的發(fā)現(xiàn)是倫琴“妙手偶得”,但這“偶然”又是倫琴仔細(xì)觀察、精心分析、對射線認(rèn)識過程中進(jìn)行比較研究的“必然”??梢?,比較研究在科學(xué)發(fā)現(xiàn)中具有重要作用??茖W(xué)家的科學(xué)態(tài)度和探究精神能夠引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入創(chuàng)新型學(xué)習(xí)的啟蒙期。
2 利用實驗中的比較研究使學(xué)生進(jìn)入創(chuàng)新型學(xué)習(xí)的興奮期
2.1 實驗規(guī)律的總結(jié)
實驗規(guī)律的總結(jié)需要對實驗數(shù)據(jù)有較強的處理能力和敏銳的洞察力,并熟知一般的正比、反比、正弦函數(shù)等規(guī)律的判定方法,而對實驗數(shù)據(jù)的比較研究是尋找規(guī)律的有效途徑之一。
例(08年江蘇高考物理卷第10題) 某同學(xué)想要了解導(dǎo)線在質(zhì)量相同時,電阻與截面積的關(guān)系,選取了材料相同、質(zhì)量相等的5卷導(dǎo)線,進(jìn)行了如下實驗:(第(1)問略)
(2)該同學(xué)經(jīng)實驗測量及相關(guān)計算得到如下數(shù)據(jù):
電阻R/Ω121.050.023.910.03.1
導(dǎo)線直徑d/mm0.8010.9991.2011.4941.998
導(dǎo)線截面積S/mm20.5040.7841.1331.7533.135
請你根據(jù)以上數(shù)據(jù)判斷,該種導(dǎo)線的電阻R與截面積S是否滿足反比關(guān)系?若滿足反比關(guān)系,請說明理由;若不滿足,請寫出R與S應(yīng)滿足的關(guān)系。
(3)若導(dǎo)線的電阻率ρ=5.1×10-7Ω?m,則表中阻值為3.1Ω的導(dǎo)線長度l=______。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)
答案: (2)不滿足,R與S2成反比(或RS2=常量);(3)19.06m。
解析 (2)直接用兩組R、S值相乘(50×0.784=39.2,10.0×1.753=17.53),知它們明顯不相等,可迅速判斷結(jié)果R與S不滿足反比關(guān)系;并同時可簡單計算50.0×0.9994≈50×1,10×1.4944≈10×1.54=50,兩者近似相等,即R與d的四次方成反比,可迅速得出R與S2成反比。計算時應(yīng)先觀察,再選擇合適的數(shù)據(jù),這可使計算簡便,如可選本題中的(50.0、0.999、0.784)和(10.0、1.494、1.753)這兩組數(shù)據(jù)。
點評 本題考查學(xué)生非常熟悉的電阻定律,由于定勢思維的影響,一些學(xué)生會不假思索地作出“導(dǎo)線的電阻R與截面積S滿足反比關(guān)系”的判斷。但本題已限定“導(dǎo)線的質(zhì)量相同”,因此結(jié)合這一條件,可以得出“導(dǎo)線長度L與截面積S乘積相同”的結(jié)論。根據(jù)電阻定律R∝L/S,所以可得到:R∝1/S2??梢娎碚撝笇?dǎo)下的研究,解答更簡單。如果學(xué)生平時多留心觀察、比較,審題時自然就會注意到這一條件的變化,從而避免出錯。
2.2 實驗誤差的分析
實驗誤差分析是尋找真實值與測量值之間存在差異的原因??梢龑?dǎo)學(xué)生進(jìn)行比較研究,分析“真實情況”與“原理情況”的差異。抓住這個關(guān)鍵點,即把握了實驗誤差分析的方向。
例1 某學(xué)生使用教材中的實驗裝置做驗證“牛頓第二定律”實驗時,若測量數(shù)據(jù)都準(zhǔn)確,并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出如圖1、圖2所示的兩圖線,請分析其可能的原因。お
解析 圖1 中的圖象與橫軸相交于A點,并非坐標(biāo)原點,說明沒有平衡摩擦力。
答案:沒有平衡摩擦力。
圖2 中,如圖作一垂直于橫坐標(biāo)的虛線,它與圖中虛、實線的交點說明:在相同質(zhì)量情況下,加速度不同,根據(jù)其大小區(qū)別,可知沒考慮到砂的質(zhì)量m。
答案:沒考慮到砂的質(zhì)量m。
例2(08年江蘇高考物理卷第11題) 某同學(xué)利用如圖3所示的實驗裝置驗證機械能守恒定律?;⌒诬壍滥┒怂?,離地面的高度為H。將鋼球從軌道的不同高度h處靜止釋放,鋼球的落點距軌道末端的水平距離為s。
(1)若軌道完全光滑,s2與h的理論關(guān)系應(yīng)滿足s2=______。(用H、h表示)
(2)該同學(xué)經(jīng)實驗測量得到一組數(shù)據(jù)。如下表所示,請在坐標(biāo)紙上作出s2-h關(guān)系圖
h/10-1m2.003.004.005.006.00
s2/10-1m22.623.895.206.537.78
(3)對比實驗結(jié)果與理論計算得到的s2-h關(guān)系圖線(圖4中已畫出)。自同一高度靜止釋放的鋼球,水平拋出的速率______(填“小于”或“大于”)理論值。お
(4)從s2-h關(guān)系圖線中分析得出鋼球水平拋出的速率差異十分顯著,你認(rèn)為造成上述偏差的可能原因是______。
解析 (1)根據(jù)機械能守恒,可得鋼球離開軌道時的速度為2gh,由平拋運動知識可求得作平拋運動的時間為2Hg,可得s=vt=4Hh,s2=4Hh。
(2)略お
(3)對比圖中兩圖線,相同h對應(yīng)的s2值,理論值明顯大于實際值,而在同一高度H下的平拋運動水平射程由水平速率決定,可見實際水平速率小于理論速率。
(4)由于客觀上軌道與小球間存在摩擦,機械能減小,因此會導(dǎo)致實際值比理論值小。小球的轉(zhuǎn)動也需要能量維持,而機械能守恒中沒有考慮重力勢能轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)動能的這一部分,也會導(dǎo)致實際速率明顯小于理論水平速率。
2.3 實驗的原理
物理量的定義式是測定該物理量的基本原理式,但物理量間的聯(lián)系較多,使“等效替代”的方式多樣,這就需要教師在分析實驗原理時加以比較研究,幫助學(xué)生拓展思路,提高學(xué)生自主探究的能力。
例(2001年高考理綜卷) 實驗室中現(xiàn)有器材如實物圖6所示,有:電池E,電動勢約10V,內(nèi)阻約1Ω;電流表○A1,量程約10A,內(nèi)阻r1約為0.2Ω;電流表○A2,量程300mA,內(nèi)阻r2約5Ω;電流表○A3,量程250mA,內(nèi)阻r3約5Ω;電阻箱R1,最大阻值999.9Ω,最小阻值改變量為0.1Ω;滑動變阻器R2,最大值100Ω;開關(guān)S;導(dǎo)線若干。お
要求用圖7所示的電路,測量圖中電流表○A的內(nèi)阻。お
(1)在所給的三個電流表中,哪幾個可以用此電路精確測出其內(nèi)阻?答:______。
(2)在可測的電流表中任選一個作為測量對象,在實物圖上連成測量電路。
(3)你要讀出的物理量是______。用這些物理量表示待測內(nèi)阻的計算公式是______。
點撥解疑 該題要求根據(jù)電路圖尋找實驗原理,屬于有一定提示的設(shè)計型實驗。與學(xué)過的伏安法測電阻相比較,題中被測電阻是電流表的內(nèi)阻,它能顯示出通過自身的電流,因此只要知道其上的電壓就可以。由于沒有電壓表,卻有另一只電流表,根據(jù)電路圖可以看出,如果圖7中表○A是被測表,則其電壓就是電阻箱兩端的電壓,利用兩只電流表的讀數(shù)差和電阻箱上顯示的阻值可以求出該電壓,這樣就可以求出電流表的內(nèi)阻。
(1)不能精確測出電流表○A1的內(nèi)阻,因這時圖中的電流表○A′應(yīng)為○A2、○A3中的一只,這使得電流表○A1中的電流不能超過300mA,其指針的偏轉(zhuǎn)極其微小,誤差很大,而○A2、○A3可用此電路精確測出其內(nèi)阻。
(2)(略)
(3)根據(jù)前面的分析,要讀出的物理量是○A、○A′兩電流表的示數(shù)I、I′和電阻箱的阻值R1,待測內(nèi)阻的計算公式是R瑼=I′-IIR1。
點評 該題是教材中分組實驗原理遷移型的實驗題,是高考實驗題中常出現(xiàn)的一種。因此在做設(shè)計型實驗題時,首先應(yīng)回顧分組實驗的實驗原理,看看是否有遷移的可能。該題實際上是用比較法測電阻,比較待測電流表和電阻箱上的電流,從而得出待測電流表的內(nèi)阻。
3 物理公式中的比較研究使學(xué)生進(jìn)入創(chuàng)新型學(xué)習(xí)的發(fā)展期
為防止學(xué)生亂套公式,深化對物理公式的理解,引導(dǎo)學(xué)生對物理公式進(jìn)行比較研究是十分必要的。如對物理量的定義式、決定式及推導(dǎo)式等進(jìn)行的比較研究。在高中階段,加速度a、電場強度E、電容C、電流I、電阻R等都是物理學(xué)上重要的物理量。加速度a的定義式a=Δv/Δt 與決定式a=F/m ;電場強度E的定義式E=F/q 與 決定式E=kq/r2 及推導(dǎo)式E=U/d;電容C的定義式C=Q/U與 決定式C∝εS/d;電流I的定義式I=q/t與決定式I=U/R;電阻R 的定義式R=U/I 與決定式R=ρL/S等等。物理量的定義式一般是測定該物理量的基本原理式,它的適用范圍廣,但不存在正比、反比關(guān)系;物理量的決定式適用范圍有限制,但由于存在決定因素關(guān)系,所以滿足正比、反比條件。
比較研究是學(xué)生進(jìn)行自主探究的基本方法,它在物理概念教學(xué)、物理實驗教學(xué)、物理規(guī)律教學(xué)中有著啟發(fā)性、發(fā)展性的作用,對學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新型學(xué)習(xí)有著促進(jìn)作用,并對培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力和科學(xué)精神有一定的積極影響,因此,物理教師應(yīng)該充分重視這種方法的應(yīng)用。
(欄目編輯趙保鋼)