中学物理教材教法-阎金铎

中学物理教材教法内容提要再版前言绪论第一章中学物理教学的目的§ 1 中学教育的性质和任务§ 2 中学物理课程§ 3 中学物理教学目的第二章中学物理教学过程§ 1 物理教学过程§ 2 中学物理教学原则第三章物理教学方法§ 1 教学方法的概述§ 2 近代教育史中教学方法的两大流派§ 3 中学物理教学中常用的教学方法§ 4 各种教学方法的比较§ 5 改革教学方法的指导思想——启发式第四章物理实验教学§ 1 演示实验§ 2 学生实验§ 3 课外实验第五章物理概念教学§ 1 物理概念的特点§ 2 掌握基本物理概念的过程§ 3 物理概念教学第六章物理规律教学§ 1 物理规律的特点§ 2 物理规律教学第七章物理练习教学§ 1 物理练习形式§ 2 重视物理图景分析§ 3 教给学生分析问题的思路和方法§ 4 物理练习教学第八章物理复习教学§ 1 物理复习的作用§ 2 物理复习教学第九章物理教学测量与评价§ 1 常用的测量方法§ 2 物理测验的编制§ 3 物理测验的评价§ 4 物理课堂教学质量的评价第十章物理教师的备课§ 1 备课的要求§ 2 . 制订教学工作计划§ 3 制定课时教学计划（ 教案）§ 4 教案的编写§ 5 物理观摩课的评议〔 附录）教案范例*第十一章物理电化教学手段§ 1 电化教育概述§ 2 光学投影媒体的运用§ 3 电视媒体的运用§ 4 计算机教学应用第十二章单元教材分析示例——“ 运动定律”教材分析§ 1 “ 运动定律”的地位和教学上的特点§ 2 教法研究第十三章“ 动量”教材分析§ 1 “ 动量”的地位和教学上的特点§ 2 教法研究第 十 四 章 “ 机械振动和机械波”教材分析§ 1 地位和特点§ 2 教法研究第十 五 章 “ 热学”教学研究§ 1 从 “ 热”字看热学的几个基本概念§ 2 教法研究第十 六 章 “ 电场”教学研究§ 1 电场及其描述§ 2 关于电容第 十 七 章 “ 稳恒电流”教学研究§ 1 关于电动势的教学§ 2 电源电动势和内阻的测定§ 3 关于电功和电功率§ 4 解电路问题的方法第十八章儿何光学教学研究§ 1 波面和光线§ 2 光传播遵循的规律§ 3 透镜及其成像§ 4 . 光学仪器内容提要本书是在1981年版本的基础上，经过十几年的使用，进行增删、充实，改写而成的。

全书共分十八章：一至十一章阐述了中学物理教学的目的、原则、关键、方法、手段等；十二至十四章为运动定律、动量、机械振动和机械波教材分析;十五至十八章为热学、电场、稳恒电流、儿何光学教学研究本书的特点是简明、扼要，以物理实例阐述物理教学思想和规律可作为高 师 “ 中学物理教材教法”课程的教材或参考书，也可供教育学院、教师进修学院、中专和中学物理教师参考再版前言本 书 1981年第一版和1984年第二版出版以来，北京师范大学物理系一直用作物理教材教法课的教材; 有些兄弟院校和教育学院也先后选为教材或参考书许多老师和读者来信给予支持和鼓励，并希望发扬务实精神，经过增删、充实再版这次再版，保持了原有的结合实际、突出重点、以物理实际来阐明教学原理的特点，并结合多年来教学改革实践，进行修订全书贯彻的教学思想是：教好中学物理和学好中学物理，应遵循“ 一观察、实验，二思维，三运用”的认识过程，使学生亲自动手、动脑完成认识上的两个飞跃；在教学过程中要把培养能力放在首位，使学生在掌握知识的同时，掌握方法，提高能力为此，增删和充实了一些内容，以物理教学的实例来说明物理教学的规律性，力图使未来的物理教师在学习和实践中，掌握物理教学理论，提高分析教材、处理教材和选择教法的能力；为以后开展教学研究、指导教学实践、提高物理教学质量打下良好的基础。

对本书不妥之处，恳切希望广大教师和读者批评指正阎金铎绪 论中学物理教材教法课，是一门综合性的边缘学科. 它以党的教育方针为依据，以辩证唯物主义为指导，把物理专业知识、教学理论和教学实践有机地结合起来，系统地研究中学物理教学过程的规律、教材、教法、实验和实践.在高等师范院校物理系开设这门课程的目的，是使学生在从事物理教学实践前或实践中，能初步掌握物理教学的一般规律和方法，初步具备分析和处理教材、选择教法的能力，为开展中学物理教学研究，不断提高物理教学质量打好基础.中学物理教材教法课，主要包括四部分内容：中学物理教学概论；中学物理教材分析；实验研究；教学见习和试教.物理教学概论，主要阐述中学物理教学的目的、任务，物理教学内容，物理教学原则，物理教学的关键，物理教学方法、手段，以及物理教师的备课. 这一部分是本课程的基础知识. 以此为依据，进行分析教材，选择教法，开展实验研究和教学实践.教材分析，主要是综合运用物理专业知识和教学理论，分析和处理现行中学物理教材，进行教法研究. 以整编教材、单元教材. 、课题教学为例，说明分析教材、处理教材、选择教法的思路和方法.实验研究，主要是使学生亲自动手，掌握中学物理实验技术（ 包括常用设备的使用，如计时装置、闪光照相、低压电源、示教电表、教学示波器、幻灯和投影技术、教学电影放映等）和实验操作技能，改进实验仪器，设计物理实验练习等.见习和试教，是本课程联系实际的一个重要的方面. 通过见习中学物理教学、自己备课、试讲和评议，丰富感性知识，培养教学的初步能力，为教育实习打下良好的基础. 这部分内容可结合概论部分的教学，灵活进行安排.作为一个未来的物理教师，一个合格的物理教师，不但要有培育下一代的强烈责任感，将毕生精力献身于教育事业的决心，而且要有努力学习和钻研物理专业知识、物理教学理论和积极实践的顽强意志. 在学习和实践，以及今后的工作中，要有所创造，有所发现，不断地提高物理教学质量.通过本课程的学习，初步掌握物理教学的一些基础知识，练习指导自己的物理教学实践活动. 这对今后的教学工作，对开展教学研究，提高物理教学质量，都是极为有益的.综上简述可知，中学物理教材教法课程，是培养合格的中学物理教师的重要课程之一. 高等师范院校物理专业的学生，必须从理论和实践上积极地、认真地学好这门课程，并在教育实习中巩固和运用.怎样学好中学物理教材教法课呢？首先，要牢固地掌握物理学知识，熟悉近代物理学的成就，了解新的科学技术发展及其应用. 对于物理教材教法课来说，没有物理专业知识，既谈不上教学原则，也谈不上物理教材分析，更谈不上物理教法研究.第二，掌握教育学、心理学有关教学论方面的一些基本原理，了解中学生的年龄特征和心理状态，并能够把这些知识应用于物理教学之中.第三，要实践，要结合亲身从事物理教学实践的经验、体会进行学习，并关心国内、外中学物理教学动态，积极参加教学研究活动，吸收先进教学经验,积累教学资料•，不断地分析、总结，提高到理性认识，再指导自己的教学实践活动.总之，通过本课程的学习，能够初步掌握物理教学的一般规律，提高分析教材、处理教材和选择教法的能力，为进一步开展物理教学研究，提高物理教学质量打下良好的基础.第一章中学物理教学的目的中学物理教学的目的和任务，不是任何人可以主观任意地确定的. 就实质而言，首先是由社会存在或者说社会经济、政治的发展要求（ 主要是社会生产力水平和生产关系状况）决定的. 不同的社会发展阶段，不同的时代，对教育就提出不同的要求. 就我国而言，它是根据党的教育方针、中学教育的性质、物理学科的特点及其在学校整个教学计划中的地位和作用、学生的年龄特征等因素来确定的.本章从中学教育的培养目标开始，由培养全面发展的人和提高全民族素质出发，讨论中学物理教学在知识、能力、思想品德等方面的目的，也从理论上作初步的阐述.§ 1中学教育的性质和任务教育的基本职能是培养人. 人的发展离不开社会，而社会的进步又要通过人的发展来实现. 在人与社会的关系中，就人作为有生命的实体来说，他要求社会满足他生活和自身发展的需要，包括物质需要和精神需要，社会应当为人的发展创造各种条件；就人作为社会成员来说，又要求每个人要为社会的发展作出贡献，要为社会、为人类服务. 因此，我们为了培养新的i代人，既要创设条件使其具有为了适应现代生活、工作所需的科学文化知识，不断追求新知，勇于创新的科学精神；又要使其具有热爱社会主义祖国和社会主义事业，为国家富强和人民富裕而艰苦奋斗的献身精神. 一 句话，社会主义教育应以培养全面发展的人为目的.中学教育包括初级中学教育和高级中学教育. 初级中学教育是普通教育中的义务教育阶段，是每个适龄少年必须接受的培养基本素质的教育，高级中学教育是与九年义务教育相衔接的高一层次的基础教育. 普通高中要进一步提高学生的思想道德、文化科学、劳动技能和身体心理素质，发展学生的个性和特长，有侧重地对学生实施升学预备教育或就业预备教育，为高等学校输送合格的新生，为社会各行各业输送素质较高的劳动后备力量，为培养社会主义现代化建设所需要的各类人材奠定基础. 总之，中学教育是基础教育，其任务是为提高全民族的素质.素质，是有机体具有的生理特点，主要是感觉器官和神经系统方面的特点,是能力发展的前提和基础， 也是在学习和社会实践中逐渐发育和成熟起来的. 某些素质上的缺陷，可以通过学习和实践获得不同程度的弥补.人的素质是历史的产物，又给历史以巨大影响. 全民族的素质不单单是全体公民素质的简单总和，它是社会物质文明和精神文明、民族昨天的历史和今天的面貌、经济、政治、文化、社会生活各方面的综合反映，对每个人的成长和发展起着重大的影响. 提高全民族素质，分为提高整个民族的思想道德素质、科学文化素质、身体心理素质和劳动技能素质四个方面.1 .思想道德素质思想道德素质主要体现在具有爱国主义、集体主义思想，树立道德观念，分辨是非、善恶和美丑，养成实事求是，言行一致，爱人民、爱科学，勇于献身，奋力开拓的行为和习惯，其核心是有民族自尊心，有社会责任感，热爱中国共产党、热爱社会主义祖国，能自觉地树立为社会主义现代化建设而努力奋斗的志向.2 .科学文化素质科学文化素质不仅体现在了解和掌握知识的多少和水平上，而且体现在科学的求实精神，运用和探索知识的能力，以及现代社会物质与精神生活所必需的一般文化知识与修养上. 例如，在观察事物、现象或实验事实时，能够找出其特征，了解它出现的条件，在一些典型情境中，能分析、概括出共性的东西,从而了解知识的内容，认识其本质，甚至对新的情境能进行分析、整理，作出判断和推理等等.3 .身体心理素质身体心理素质主要表现在以下四个方面：( 1 ) 身体形态发育水平.主要指发育是否正常，体型是否匀称，姿势是否正确. 主要指标有身高、体重、肺活量、胸围，以及它们之间的比例.( 2 ) 生理机能水平.主要指新陈代谢的功能，各种器官系统的工作效能是否正常. 其中主要指标是：视力是否正常、抗病能力的强弱.（ 3 ）身体素质水平.主要指动作的速度、耐力、灵活程度等.（ 4 ）心理发育水平.主要指身体感知能力、意志、个性，以及对外界刺激的适应能力.4 . 劳动技能素质劳动技能素质主要表现在以下四个方面：（ 1 ）劳动观点.社会主义公民对待劳动、劳动果实和劳动人民应有的正确态度. 其核心内容是热爱劳动，珍惜劳动果实和尊重劳动人民.（ 2）劳动习惯.社会主义公民应以劳动为荣，养成为他人服务及自我服务的劳动习惯.（ 3 ）劳动知识.劳动知识主要指工业、农业和服务性行业方面的一般劳动知识和技能，如木工、金工、电工、种植、饲养、栽培、裁剪、缝纫等.（ 4 ）劳动专长.由于各个地区条件的不同和每个人的兴趣和爱好的差异，某些人可以在劳动工种的某一方面有所专长.百年大计，教育为本. 全面理解和认真贯彻培养全面发展的人，提高全民族素质，为21 世纪培育出一代代优秀人才，是所有教育工作者，包括中学物理教师在内的光荣任务.§ 2中学物理课程物理学是中学中的一门主要课程. 物理学研究的是最基本、最简单的运动形式的一般规律，以及如何应用这些规律去利用自然、改造自然.物理学的知识和研究方法已广泛地应用于许多自然科学部门和生产、技术领域，对于科学技术的发展起着重要作用.这里，应当指出：物理科学与物理课程是两个不同的概念. 物理科学是反映自然界物理现象、物理运动相互作用及其客观规律的、系统的物理知识体系;物理课程是按照教学目的、要求和学生认识规律，有计划地选取物理科学的内容，并改造成为学校的一门课程. 不同层次的学校，有不同的目的任务，从而教学内容和要求不同.制订中学物理课程，应当根据中等学校（ 基础教育）的目的、物理学科的内容、特点，结合考虑中学生的年龄、心理特征，适应社会的需求，以及教学设备和条件，加以选择、组织和安排的. 也就是说，它应遵循的基本原则主要有以下儿点.1 .体现物理学的基本内容、特点和方法，发挥其应有的作用物理学既是一门实验科学，又是一门具有严密的逻辑体系和数学表述的理论科学. 物理学从它早期萌芽到近现代发展，都以它丰富的方法论和世界观等充满哲理的物理思想，影响着人们的思想、观点和方法，因此，它还是一门带有方法论性质的科学. 物理学的方法已具有普遍方法论的意义，对培养学生辩证唯物主义观点，科学态度和科学精神、对培养学生智力、提高能力，有着极其丰富的内容.在制订物理课程过程中，应当充分认识物理学本身，结合其它教学因素，精选其内容和突出物理学的特点，充分发挥它的作用.2 .符合学校教育目的和培养目标，适应社会的需求学校的教育目的，集中地反映了特定社会的经济建设和社会发展对课程的客观要求，而每门课程都是实现教育目的的手段.物理课程，必须考虑社会主义现代化建设的当前需要和未来需要，为提高全民族素质，培养有理想、有道德、有文化、有纪律的社会主义公民，作出贡献.3 .适合不同年龄阶段学生身心发展特点，符合大多数学生可接受的限度学 生 在13岁 到18岁阶段，属于少年期和青年初期. 学生在这一时期的主要特点是：生理发展逐渐成熟，精力旺盛，求知欲强烈，思维已从具体形象思维进入到抽象逻辑思维，也就是说，这一时期正是长身体、长智慧、立志向、初步形成人生观和世界观的关键时期.课程内容的要求、深度、广度和结构，必须适合以上特点，既不能超出学生可接受的限度，又要能促进学生智力、体力的一般发展.要树立全局观点，不应过分地强调物理学科的重要性，既要照顾本课程的纵向联系，又要照顾与相关学科的横向联系，相互配合，以利于学生学习逐步深化，达到预期的目的.4 .适应我国办学的具体条件和地区发展不平衡的状态我国各地区经济、文化发展很不平衡，物理课程教学内容的实施条件，如师资队伍、物理实验室设备、仪器套数等，也各有不同. 基于这种现状，既要坚持培养目标的统一标准，又要因地制宜，留有余地.因此，在制订物理课程的教学内容过程中，既要考虑当地经济建设和社会发展的需要，又要考虑其实现的可能. 也就是说，要从国情出发，实事求是，讲求实效. 制订出的物理课程内容，应当是大多数学校的物理教师和学生经过努力能够达到的基本要求.制订物理课程的教学内容，除遵循上述四条基本原则之外，还应处理好继承与发展的关系. 应当继承我国物理课程建设的有益成果，也应当借鉴国外物理课程的有益经验并注意改革的趋向.§ 3中学物理教学目的中学物理教学，与其他学科一样，都应体现中学教育的总目标，并为总目标的实现做出应有的贡献.中学物理教学的目的，可概括为：掌握基础知识；培养学生能力；激发学生兴趣；培养高尚品德.正 如 《 全日制中学物理教学大纲（ 1 9 9 0年修订本）》中所规定的：“ 中学物理教学必须使学生比较系统地掌握学习现代科学技术和从事社会主义建设需要的物理基础知识以及这些知识的实际应用；要培养学生的观察、实验能力，思维能力，分析和解决实际问题的能力.在教学中要注意培养学生学习物理的兴趣；要重视科学态度和科学方法的教育；要鼓励独立思考和创造精神；要结合物理教学进行辩证唯物主义教育和爱国主义教育.下面，对这个教学目的实质和要求作如下论述.1 .教给学生必要的物理基础知识物理学是自然科学中的- 门基础学科，它是研究物质运动最一般的规律和物质的基本结构及其应用的科学. 具体地讲，物理学研究大到天体，小到基本粒子的各种物质的性质和相互作用，以及它们的运动规律. 物理学的知识和研究方法已广泛地应用于许多自然科学部门和生产、技术领域，对于科学技术的发展起着重要的作用.作为中学教学科目的物理课程，使学生掌握所谓的物理基础知识，指的是物理学最初步的、最基本的知识，它是为今后进一步学习科学技术，参加生产劳动和有关实际工作所必备的. 也就是说，使学生具有与现代生产和现代科学技术发展相适应的中等文化修养. 因此，把在当前工农业生产和现代科学技术中应用最广泛的、物理学中最重要、最基本的主干知识，确定为中学物理的教学内容，广泛地联系实际，扩大学生的知识面. 再根据学生现有的基础、智力发展水平和潜力，确定教学内容的深度和具体要求.根据上述精神确定下来的物理教学内容，也应分清主次. 一般分为三类：重点知识；重要知识；一般常识.( 1 )重点知识.这类知识在物理学体系中占有最重要的地位，是进一步学习或参加社会主义建设所必需的，而且学生能够接受的那些重要的物理概念和规律. 例如，初中阶段学习的密度、压强、电功、电功率等概念，二力平衡、液体内部的压强规律、欧姆定律、焦耳定律等规律；高中阶段学习的力、加速度、质量、惯性、功、动能、重力势能、电场强度、电势、电势能、电流强度、电压、电阻、电动势、安培力、洛仑兹力等概念，牛顿运动定律、动量守恒定律、功能关系、机械能守恒定律、库仑定律、闭合电路的欧姆定律、楞次定律、法拉第电磁感应定律等规律，都属于重点知识.对于重点知识，要求学生掌握它们. 所谓掌握，包括领会、巩固、运用三个环节. 领会是对知识由不知到知，从浅知到深知的过程，是了解知识和理解知识的认识过程；巩固是防止遗忘，保持理解、强化记忆的过程；运用是把知识变为实际行动，解决有关实际问题的过程. 衡量学生是否掌握了某一概念或规律，主要看学生是否明确它是从哪些客观事物或现象中抽象、概括出来的，是否知道它的确切含义，是否能用它说明、解释一些有关的物理现象，熟练地分析和解决有关实际问题. 也就是说，对于重点知识，要求理解得比较确切，运用得比较灵活.( 2 )重要知识.这类知识是为了掌握重点知识而必须学习的过渡性知识，也包括本应属于重点知识，由于学生基础不足或接受能力的限制等原因而适当降低要求的知识 . 例 如 ，初中阶段学习的力、重力、惯性、滑动摩擦、浮力、功、功率、温度、熔点、沸点、电流、电压、电阻等概念，阿基米德定律、物体沉浮条件、功的原理、光的直线传播等规律；高中阶段学习的位移、速度、向心加速度、振动和波动的有关概念，理想气体及其状态方程、电容、电感、交流电的有效值、干涉、衍射、光电效应、玻尔模型、核能、质能关系等，都属于重要知识.对于重要知识，要求学生知道它的确切含义，会运用它判断、分析和解决简单的问题.(3) 一般常识.这类知识是为了扩大学生眼界的常识性知识，在物理学中也占有重要地位,也很有生命力，但由于学生基础不足，接受能力等限制而降低到只作初步介绍的知识.对于这类知识，一般不需要推理、论证，也不需要一定给出定义. 要求学生对事物、现象有初步的印象，了解它的要点、大意，在有关问题中能够识别它们.总之，教给学生的物理基础知识，要分清主次，突出重点，狠抓关键，力戒平均使用力量.2 . 教给学生方法，培养学生能力知识是人们在实践活动中对客观世界的认识和总结，主要是反映自然现象和事物本质属性的概念和规律.能力是完成某种活动的一种个性心理特征，是认识事物、探索知识和运用知识的本领，是影响活动效率的基本因素.虽然知识和能力的本质不同，但它们的关系极为密切. 知识是培养能力的基础，只有在掌握知识( 含技能) 的过程中才能发展能力，而能力又制约着掌握知识的快慢、深浅、难易和巩固程度，能力的提高又为掌握知识提供了有利条件，只要学生具备了较好的能力，就可以主动地、自觉地去学习，在知识的海洋中得到自由. 因此，必须寓能力培养于讲授知识之中，而讲授知识必须立足于培养能力.在物理教学中，应主要培养学生什么能力呢？这取决于物理学本身的特点和学习物理的基本方法.众所周知，初学物理必须从观察、实验出发，把观察、实验的结果进行高度的概括，或逐步运用数学作为语言工具和推理工具，上升为理性认识，建立概念，建立有关物理量之间的定量关系，从而得到反映客观事物性质的基本规律. 最后运用它们说明、解释现象，分析、解决有关的实际问题. 这就是说，学习物理要强调观察、实验，思维，运用.因此，中学物理教学大纲中规定： “ 要培养学生的观察、实验能力，思维能力，分析和解决实际问题的能力. "( 1 ) 观察能力. 观察，是有目的、有计划地运用各种感觉器官，了解周围环境、事物和现象的•种知觉过程. 通过观察，可以了解现象的特征，及其发生、发展的条件，认识事物的部分属性和特点，以及从平常的现象中发现不平常的东西，从表面上无关的东西发现它们的相似点或因果关系. 因此，观察是认识事物、获得知识的源泉，是学习和科学研究的一种方法.概括地说，观察的目的有三：一是了解现象，认识事物，按计划仔细地观察知觉对象，通过比较、归纳来感知对象的主要特征、条件；二是取得资料，把观察的结果随时记录，或通过测量记录下所取得的数据；三是发掘问题，要善于发现细微的，但很有意义的问题，积极思考，从而达到正确的感知和准确的判断.观察，作为学生的一种能力，并不是天生具有的，而是要通过培养和训练,在课堂教学和课外实践活动中逐渐形成和发展的. 学生应该具有的观察能力，主要是能有目的地进行观察，观察过程中抓住对象的主要特征，明确现象出现的条件. 为此，除引导学生进行自然观察之外，更多的是指导学生进行实验观察. 实验观察是人为地创造条件，控制现象的发生和发展过程，进行反复观察.教学中的演示实验，不但是为了有助于对知识的理解，而且特别有利于培养学生的观察能力.在物理教学中，教师应做好下列工作：①要明确观察的目的，引导学生进行观察. 例如，在学习光学现象“ 虹 ”的时候，应明确观察目的在于找到现象的发生条件. 可以先唤起学生已有的感知：夏季雨后，背日观看天空，这就是观察到虹的先决条件. 在此基础上，再让学生自己创造条件去观察虹. 或在室内利用电灯当作光源，或在室外直接以太阳为光源，当背向光源站立，向空中喷水（ 先吸口水，再向空中斜上方喷出）以形成许多小水珠，这时由于创造形成虹的先决条件，就可能观察到彩虹.②要教给学生科学的观察方法. 物理实验观察，通常采用的方法有：重点观察法、对比观察法和归纳观察法.a .重点观察法. 重点观察法是引导学生注意对与实验目的有关的事物和现象进行观察. 一般可遵循由整体到局部，再由局部到整体，进而由表及里的观察程序，或先一般地了解全貌，再集中观察某一现象. 在观察过程中狠抓现象的主要特征和发生的条件.b .对比观察法. 人们认识事物、现象，往往是通过两个事物、现象的对比,或把某一现象发生变化的前、后情况进行比较来实现的. 教学中经常采用这种方法，例如，观察液体在沸腾前和沸腾时的情况，观察某一物质熔化或凝固时的体积变化，等等，对比观察法有利于掌握现象的特征，以及它与其它类似现象的区别.c .归纳观察法. 研究一些涉及变化因素较多的问题或总结一些现象的一•般规律时，通常采用归纳观察法，即通过对个别现象分别进行观察，得到一些个别的结论，再通过归纳得出一般 规 律 . 例 如 ，探求声音是怎样发生的，可以通过对各种现象的观察，归纳得出结论；研究质点的加速度与力、质量的关系，就在先确定质量这个因素是不变的条件下，观察加速度与力之间的关系，然后再确定另一个因素——力不变的条件下，观察加速度与质量之间的关系，最后归纳得出一般规律. 使用归纳观察法，有利于掌握现象的实质，以及研究比较复杂现象的一•般规律.③要鼓励学生在课外勤于观察、善于思考，养成良好的习惯. 教师要善于因地制宜，就地取材，有意识地引导学生观察他们周围的事物和现象，并提出各种启发性问题，使学生将注意力集中到观察对象的特征和条件上来.例如，在城市的楼房里，都装有比较粗的下水管，这根粗管竖直地立着，向下直通下水道，向上却穿出楼顶. 你观察过吗？想想这是为什么？又如，在农村麦收后，为了把麦粒与麦皮、小石粒分开，需要在场地上扬场.般有两种方法：一种是用木锹将它们铲起向上方扬出，它们落下后将彼此分开； 另一种是利用扬场机， 将它们向斜上方抛出， 它们落下后将彼此分开. 请观察麦粒、麦皮、小石粒的分布情况，找出它们各自的特征及条件，再想想它们所依据的原理.总之，培养观察能力，要明确观察的目的、任务，激发学生的观察兴趣. 观察训练应严格要求，逐步做到观察得准确、全面、细微、敏锐，养成善于观察的良好习惯.（ 2 ）实验能力.实验，是在人为地控制的条件下，利用仪器、设备，突出自然界或工农业生产中的物理现象的主要因素，使它反复再现. 其特点有二：一是可控制性；二是可重复性. 这样，就便于观察、测量，从而了解现象，取得资料•，发掘问题.实验能力，主要是指掌握实验技能和方法， 自己制造实验观察条件，进行操作，取得数据并进行处理，得出结论的能力. 具体地讲，它包括有正确使用基本测量仪器和基本设备，正确操作、观测、读取数据、正确处理数据、归纳得出结论，并写出书面报告的能力.（ 3 ）思维能力.思维，是人脑对客观世界的一- 种间接的、概括的反映，是将观察、实验所取得的感知材料进行加工，上升为理性认识的过程.思维过程，主要包括分析、综合、抽象和概括.分析是在头脑中把整体分解为部分，即把整体的个别特性、方面分解出来.综合是在头脑中把整体的各个部分或个别特性、方面联合起来.分析和综合是相反的两个过程，但又有密切的联系. 初级的分析和综合活动，主要是对具体事物或现象的分析和综合，属于感性认识、表面认识范畴. 高级的分析和综合活动，则是对事物本质因素和内在联系的分析和综合，属于理性认识范畴.抽象是在头脑中抽出事物的一般的、本质的属性，并把它和其它属性区别开来.概括是在头脑中把抽象出来的各种现象或现象之间的共同属性结合起来，并推广到同一类事物上去的过程.抽象和概括，是在对大量事物或现象分别进行分析、综合活动的基础上，总结出适用范围更为广泛的结论的过程.概念的建立，以及推理得出规律，都是分析、综合、抽象、概括等思维过程的结果.中学物理教学中，应当在事物、现象的分析和综合的基础上，突出科学抽象、概括和科学推理的方法.①科学的抽象和概括. 客观存在的事物、现象，往往是错综复杂的，由于它处于多种条件下而且有多方面的特性. 然而，在一定的现象中，并不是所有的条件，所有的性质都起着同等重要的作用，因此，为了便于研究，采取暂时舍弃个别的、非本质的因素，突出主要因素，这种科学的处理方法，叫做科学的理想化. 这是根据大量的物理现象和实验事实，经过分析、综合等思维过程,对现实进行的一种高度抽象和概括.中学物理所研究的物体和过程，多是利用科学理想化的方法建立起来的理想化模型和理想化过程. 例如，质点、刚 体 （ 有固定转轴的物体）、理想气体、点电荷、光滑表面……这些研究对象都是理想化的模型；匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速圆周运动、抛体运动、简谐振动、等压变化、等温变化、绝热变化……这些过程都是理想化的过程.把复杂的、具体的物体或现象，用简单的模型来代替，可以简化问题、突出主要因素，便于研究它的性质，便于找出其中的规律. 研究理想化模型，一方面具有现实意义，因为在一定范围内，或在要求误差允许的条件下，可以把许多实际物体或现象，儿乎看作是某个理想化的模型来处理；另一方面，它是一种重要的科学研究方法，因为解决了主要矛盾之后再考虑次要因素，问题就容易得到逐步解决.因此，在物理教学中，应使学生掌握这种科学抽象和概括的思维方法. 首先，应使学生明确物理概念和各种模型是根据哪些事实，是怎样建立起来的？它的适用范围、适用条件又是怎样的？其次，应使学生学会把实际的物体或过程，在某种条件下，看作是学过的模型中的哪个模型. 这是运用知识解决实际问题的关键.②科学的推理. 推理是根据一个或一些已知的事实或结论，得出另一个新的结论的思维形式. 按照思维进程的不同，推理可分为归纳推理、演绎推理、类比推理.a. 归纳推理. 归纳推理是由个别性的前提，推出一般性规律的方法.归纳推理的思维过程是：根据观察、实验获得的资料，分别得知关于个别事物的知识，再经过分析、综合、抽象、概括，得出一般性的规律.归纳推理又可分为简单枚举归纳推理、完全归纳推理和科学归纳推理.例如，根据天文观测得知：地球是绕太阳运动的；金星是绕太阳运动的，于是得出结论：太阳系的所有行星都绕太阳运动. 这种只根据一二个事例就推出一般性结论的推理，叫做简单枚举归纳推理.如果根据天文观测得知：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、 冥王星都绕太阳运动， 于是得出结论： 太阳的九大行星都绕太阳运动. 这种归纳推理叫做完全归纳推理.显然，完全归纳推理具有不容置疑的意义. 然而，这是一种理想化的推理,是不现实的. 在物理教学中，更不可能采用这种归纳推理方法.枚举归纳推理所得的结论，并非完全正确. 尚需经实践检验. 在物理教学中，采用这种推理方法，应向学生说明，所得结论必须要经过实验检验才能成V -如果不仅根据大量的实验事实，而且对每个事实进行分析、作出科学的解释，然后进行概括，从而归纳出一般性的结论，这种归纳推理叫做科学归纳推理 . 例 如 ，通过实验发现：铁受热后膨胀，银、铜受热后也膨胀. 经过分析知道：铁 、银、铜等金属受热后，分子运动加剧，反抗分子间相互作用束缚的本领增强，从而分子间的距离增大，即体积膨胀. 最后得出结论：所有纯金属受热后，其体积膨胀. 这在高中物理教学中是经常采用的.b .演绎推理. 演绎推理是从一般性的结论推出个别性的结论.演绎推理的思维过程是：根据已知的一般性规律，通过分析，并限制条件,运用数学的推导，得出个别性的规律.例如，已知质点的运动学和动力学规律，可以推理得出质点的动量定理，也可以推理得出质点的动能定理. 它们分别描写力对时间积累过程和力对空间积累过程的规律.又如，电阻串联或并联的等效电阻与分电阻的关系式，也是根据一般性的规律——欧姆定律和电荷守恒定律，限定了条件之后，运用演绎推理的方法得出的.这里应当指出：演绎推理得出的结论，仍应由实验加以检验，或经大量实践验证之后，才能正式成立.C .类比推理. 类比推理是从个别的、特殊的结论，推出另一个别的、特殊的结论，即根据两个或两类对象有部分属性相同，从而推出它们的其它属性也可能相同的结论.类比推理的思维过程是：从特殊过渡到特殊，主要是对两个对象进行比较,由已知的相同点推出未知的、可能的相同点.惠更斯把光现象与声现象进行比较，根据光也像声那样能够发生反射、折射、衍射，从而推出光也是一种波动，提出光的波动说；德布罗意根据光的波粒二象性而提出微观粒子也具有波动性，提出了物质波的概念，这些都是物理学史上应用类比推理的方法提出假说的实例.应当指出：类比推理所得的结论是或然的，是否正确仍需经过实践的检验.提高类比推理结论的可靠程度的方法，通常是更多地比较两个或两类事物的属性，比较的属性越多，属性间相互制约的情况越容易被看出，从而结论就更趋于正确；或者通过寻找有无与结论相排斥的属性，这样就可以防止不正确的结论出现.在物理教学中，用类比推理讲述知识，既要注意相类比的事物间的相似之处，也要注意事物之间的差异，因为差异可以限制类比的结论.总之，培养学生的思维能力是教学工作的重要任务. 正如中学物理教学大纲中明确阐述的： “ 在物理教学过程中，应该通过概念的形成、规律的得出、模型的建立……培养学生分析、概括、抽象、推理、想象等思维能力. ”（ 4 ）培养学生分析问题、解决问题能力.掌握知识的目的，是运用它分析和解决有关的实际问题. 结合物理学的特点，培养学生分析问题和解决问题的能力应狠抓如下几个方面：①了解物理现象，突出物理过程的分析. 物理概念和规律，都是从一定的物理现象和物理过程中抽象概括出来的. 因此，只有分析清楚研究对象所进行的物理过程的特点，才能选用它所遵循的规律，从而利用它们来解决问题. 关于如何培养学生分析物理过程，将在第三章中讲述.②正确处理“ 变”与 “ 不变”、 “ 曲”与 “ 直”的矛盾. 在物理教学中和在解决实际问题时，常常遇到“ 变”与 “ 不变”、 “ 曲”与 “ 直”的矛盾. 例如，我们已经知道，物 体 （ 质点）在任何相等时间内通过的位移都相同的运动（ 匀速直线运动）中，位移和通过这段位移所用时间的比值为一恒矢量. 这个恒矢量的大小反映了运动的快慢，其方向表示运动的方向. 因此，这个恒矢量是描写物体运动快慢和方向的物理量，叫做匀速直线运动的速度.然而，对于在任何相等时间内通过的位移不相同的运动（ 变速直线运动或曲线运动），如何精确地描写物体（ 质点）运动的快慢和方向呢？事实上，这就出现了 “ 变”与 “ 不变”、 “ 曲”与 “ 直”的矛盾. 也就是说，如何利用已经会了的“ 不变”的、 “ 直”的情况，来解决“ 变”的、 “ 曲”的问题呢？处理的方法是把整个过程分成许许多多的小过程， 简称为分小段的办法. 尽管在整个过程中运动的快慢是不同的，路径也可能是弯曲的，但在每个小段过程中，可以近似认为运动的快慢是不变的，小路径近似是直的（ 因为任何一条曲线都可以看作是无限多个无限小的直线段所组成的）. 这样，通过分小段的办法，把 “ 变”的、 “ 曲”的看成是由许许多多“ 不变”的、 “ 直”的所组成的，从而在每一个小过程里，都可以按匀速直线运动来处理. 小段分得越小（ 当然所用的时间也越小），求出的速度就越接近实际情况. 于是，我们分的小段,或说选取的时间间隔小到这样的程度：你说它多小，它比你说的还小，但就是不等于零. 小到这种程度， 就可以精确地描写物体在各个时刻的运动情况了. 因此，我们把这时间的速度叫做即时速度.这种分小段，或先分小段再取总和的措施，对解决类似问题具有普遍意义,在物理学的其它部分里也经常用到.③解决复杂问题的方法. 对于一个复杂的运动过程，可以看作是儿个简单运动的合运动. 例如，平抛运动可以看作是一个水平匀速直线运动和一个竖直向下的自由落体运动的合运动；斜抛运动可以看作是一个水平匀速直线运动和一个竖直上抛（ 或下抛）运动的合运动；匀速圆周运动也可以看作是相互垂直的两个简谐振动的合运动，用数学表示为x=Rsin 3 t,y=Rcos 3 t.在以上两个方程中消去时间t ,可得x2+ y-R2.显然，这是圆心在坐标原点、半径为R、角速度为3的匀速圆周运动的轨道方程.这种把一个复杂运动看作成两个或几个分运动的合成的研究问题方法，对物理学和其它领域都有重要意义.对于综合性的问题，也可以看作是由几个物理过程组成的，并找出两个相邻物理过程之间的联系点，这样，便可逐一地解决.此外，还要不断地提高学生运用数学进行定量计算的技能. 熟练的、准确的、巧妙的数学计算，往往可以迅速地解决一些复杂的物理过程所提出的问题.最后，应当指出，培养学生观察、实验能力，思维能力和分析问题、解决问题能力，这儿个方面并不是孤立的，是紧密联系、彼此促进、相辅相成的. 在物理教学过程中，应贯彻始终.3 .培养学生高尚的思想情感情感， 是人对客观事物或现象是否符合需要与愿望而产生的态度的体验. 凡能符合或满足人的需要的客观事物或现象，就能引起人的积极态度，从而产生肯定的情感，如愉快、热爱等，反之，就引起人的消极态度，从而产生否定的情感，如悲伤、厌恶等.情感是伴随一定的认识过程（ 感觉、知觉、思维等）产生的，又随着认识的发展变化而改变的，并且和人的社会观念及评价系统分不开的，它反映着个体与社会的一定关系.社会情感可分为理智感、道德感、美感等.理智感，是在智力活动过程中，认识和探求的需要是否得到满足而产生的一种情感. 积极的理智感表现形式有好奇、求知欲望，热爱学习等. 只有浓厚的理智感，才能发挥出巨大的力量.道德感，是人们根据一定的道德行为标准，评价自己或别人的言行所产生的•种情感. 社会主义道德感主要包括爱国主义和国际主义，集体主义和荣誉感，同志友谊感，社会劳动的责任感和义务感等.美感，是由审美的需要与观念是否得到满足而产生的情感. 可使人精神振奋，积极乐观，对两个文明建设起促进作用.积极的情感，对促进学生德、智、体、美全面发展，起着极为重要的作用.培养学生高尚的思想情感，应从学生个性心理特征出发，紧密地结合物理教学内容，生动活泼地进行. 正如中学物理教学大纲中所规定的：“ 要注意培养学生学习物理的兴趣；要重视科学态度和科学方法的教育；要鼓励独立思考和创造精神. 要结合物理教学进行辩证唯物主义教育和爱国主义教育. ”兴趣，是人要求认识客观事物、获得知识的一种心理表现，是一个人获得知识、开阔视野、丰富精神生活内容、推动学习的一种最实际的内部动力.态度，是个人对事物（ 包括对人）的比较持久的肯定或否定的内在反应倾向. 科学态度，主要是指尊重事实、实事求是、严肃认真、按科学规律办事的态度. 培养学生相信科学，热爱科学，鼓励学生提出问题和发表自己的看法，组织他们进行必要的讨论，并尽可能地组织各种形式的课外活动，充分发挥学生的主动性和创造精神.进行爱国主义教育，主要介绍科学家热爱祖国的事迹，介绍我国历史上的科学技术贡献，介绍我国现代化的科学技术成就，讲述祖国和家乡建设的发展前景，及其对青年一代的殷切期望，培养学生的民族自豪感和社会责任感，以及自强不息的精神，对社会主义祖国的热爱，为祖国和家乡的繁荣富强而努力的志向.进行辩证唯物主义教育，主要是通过物理教学潜移默化地使学生了解世界是物质的，物质是运动的，运动形式是多种多样的，物质运动的变化是有规律的，这些规律是可以逐渐认识的，人们可以通过认识和掌握这些规律来利用自然、改造自然.实际上，物理教学本身处处都渗透着辩证唯物主义世界观教育. 从内容上看，物理学的科学体系本身，各部分之间的内在联系就是辩证的；从研究方法上看，物理学是从直观的实验、观察，到思维加工、总结出规律，再回到实践中检验和运用，正是体现着辩证唯物论的认识论；从教学方法上看，把课堂讲授和实验课，习作课，课外活动有机地结合起来，引导学生动手、动脑， 自觉地探索知识、运用知识，也正是以科学的态度，按照认识论的规律处理各个教学环节的关系.在物理教学过程中，应当充分利用上述的有利条件，有意识地对学生进行辩证唯物主义世界观的教育. 对初中学生，着重于观察、实验，增强感性知识,进行定性分析和形象思维的训练，激发学生学习的兴趣，养成善于观察，勤于思考，动手实验的习惯；对高中学生，则应进一步培养他们观察、实验能力，并加强理性认识和抽象思维的训练，激发学生具有饱满的学习情绪、顽强攻关的意志，提高认识事物、探索知识、运用知识解决实际问题的能力，养成热爱学习、勇于实践，积极进取的精神.总之，应当通过物理教学的各阶段，各环节，渗透对学生的思想教育，培养学生高尚的思想情感.第二章中学物理教学过程正确认识和理解中学物理教学过程，认识中学物理教学的特点和规律，理解和掌握中学物理教学原则，对于正确而有效地进行教学工作，不断提高教学质量，具有重要意义.§ 1 物理教学过程教学过程本质上是一种认识过程，不过这种认识又有其特殊性，不同于一般的认识和其它形式的认识. 其特殊性就在于它是学生个体的认识，是教育的认识. 这种认识具有三个基本特点，即间接性（ 主要是学习间接经验）、指导性 （ 学生的认识是在教师的指导下进行的）、教育性（ 学生进行认识的过程同时是使学生在德、智、体、美、劳各方面得到发展的过程）.依据上述的基本观点，物理教学过程是物理教师通过各种途径，使学生认识物理客体，完成物理教学目的，即使学生掌握物理基础知识、技能、方法，发展学生观察和实验能力、思维能力、运用知识分析问题和解决问题的能力，促使学生形成辩证唯物主义世界观的过程.一个教学过程，是由多种因素构成的，这些因素之间有着密切的联系，形成整体功能. 在物理教学过程中，存在着三个最主要、最基本的因素，即主体、客体和媒体. 这三个因素的基本关系是：认识的主体是学生，这是被教育的对象；认识的客体是自然界和社会中有关事物和现象，以及人类的思维；促进学生主体认识客体的一些媒体，是指教师、教材、设备……，其中教师是主要的媒体. 有了这三个方面，物理教学就可以构成一个整体，也就形成为一个结构. 这个结构就可以发挥其教育的功能了. 这三方面因素，存在着必然的、内在的联系，它们之间的相互联系和相互作用就构成了一个完整的教学系统.由于人们对这“ 三体”在整个教学过程中所处的地位有不同的认识，从而导致了不同的教学思想和不同的教学方法.忽视学生学习的主动性，否定学生的主体地位，过分地强调教师的作用，而认为教师的讲解是学生获得知识的唯一途径；或者，忽视教师的作用，否定教师这一主要媒体的地位，过分地强调学生的主动性，而认为教师不必讲解，完全靠学生自己去发现问题、解决问题，获取知识. 以上两种教学思想和教学方法，都是片面的、不正确的.狭义地理解“ 知识”的含义，把学生认识的客体，只简单地认为是几个定义和儿个公式，以及儿种操作技能，忽视科学思维的地位和作用，等等，也是片面的、不正确的.由此可见，只有正确地认识“ 三体 ”在整个教学过程中的地位和作用，正确地处理好“ 三体”彼此之间的相互关系，才能发挥各自的作用，使各个因素之间形成最佳的组合，发挥出教学系统的最佳整体功能. 为此，应当明确：第一，学生作为认识的主体，应理解为他们是培养、教育的对象. 学生要在教师的指导下，发挥主观能动性，完成认识客体的任务，同时发展智力.第二，学生认识的对象（ 客体），是以间接的、系统的知识（ 包括科学思维等）为主.学生的认识对象，主要是经过前人无数次实践总结慨括出来的成果. 中学生的学习任务，是学习间接知识，接受真理，而不是发现真理. 学生学习的知识是根据社会的需要，从人类知识宝库中精选出来的、最基本、且能够接受的材料. 教学中组织学生参加一些实践活动，或在课堂内做探索性的实验，是给学生创造学习环境，提供更多的感性知识、思维材料］ 加深对所学知识的理解和巩固，熟悉和掌握认识问题、处理问题和解决问题的科学方法，为掌握知识,发展能力，形成科学的世界观打好基础.第三，教师是整个教学过程的组织者和学生学习的指导者.教师首先要认识客体，根据教学要求，充分发挥教学设备、教材等其它媒体的作用，创造设定的教学环境，深入了解学生的特点，激发学习兴趣，引导学生积极思维活动，这是提高教学质量的关键.教师之所以要发挥主导作用，就是因为在教学过程中，教师是直接担负着落实教学目的、完成教学任务的设计者和组织者. 学生学习兴趣、情绪、意志的培养，知识的掌握，能力的发展，都决定于教师的水平，教师发挥主导作用的程度.总之，教学过程是学生在教师指导下，在特定的教学环境中掌握知识、技能和方法，发展能力，养成科学的态度和科学的作风的过程. 教师要发挥主导作用，首先必须认识物理客体（ 物理学的内容、特点和思维方法），深入了解学生；在此基础上，创造物理学习环境，认真处理教材，选择教学手段和教学方法，达到预期的教学目的.§ 2中学物理教学原则教学原则是教师在教学的全过程中必须遵守的准绳.关于各个学科教学的一般原则，在教育学中已作了详尽的论述. 物理教学中当然应该贯彻. 然而，由于各个学科的教学具有共性之外，还有各自的特点,所以，在各科教学中还应突出其中的儿项原则.根据物理教学的目的和学习物理的方法，中学物理的教学原则应突出的是:科学性原则，生动的直观性原则，启发积极思维原则，理论联系实际原则.1 .科学性原则科学性原则是对一个物理教师搞好教学的最起码的要求. 它主要从两个方面体现出来.（ 1 ）教师对讲授的物理内容必须做到正确无误.对于任何一个物理概念、规律，都必须确切地理解，正确地表达，不应有科学性的错误. 那么，什么是科学性错误呢？让我们分析下面几个例子.例1在儿何光学教学中，当讲到光的折射成像时，通常用到在水面斜上方观察水中物体的例子，结论是由于光的折射作用，在水面斜上方看到水中的物体 是 “ 升高” 了 . 但 是 ，同一个结论可能画出三个不同的光路图，如 图2 — 1 （ a ）、（ b ）、（ c）所 示 . 图（ a ）中 物 体 “ 升高”到左上方；图（ b ）中 物 体 “ 升高”到正上方；图（ c）中物体“ 升高”到右上方. 然而，在- - 定条件下进行观察，例如都从水面右上方观察,结果只能是一个. 也就是说，三个图中只有一个图是正确的，另外两个图都是不正确的. 究竟哪一个正确，请读者自己考虑. 在教学中，教师尽管不必给学生推证上述结论，但却不能画错. 否则，就是犯了所谓的科学性错误.例 2有两个平面镜M 和 N , 它们之间的夹角为九在其中放一点光源S , 试求点光源总共能成儿个像？对于0 = 90 °的情况，如图2 — 2 所示. 很容易证明，S 对 M 镜成像为8； S对N镜成像为S2； Si对N 镜成像为工, 4对M 成像也为£. 于是， 成像的个数n = 3 . 然而，如果由此便给学生总结出成像个数的公式n = k-l,则是不科学的.图2-2这个■仑对8 = 90 °的情况，n = W ? - l = 3 , 是正确的. 然而，当8 =12 0 °时又怎样呢？如果点光源S 位于两镜面夹角的平分线上，如图2 — 3( a) 所示， 则S 对M镜成像为S ； S 对 N 镜成像为£； Si和S2 分别位于避竟和M镜的镜面延长线上，不再成像，从而符合n = 1| ^T = 2 . 但是，如果点光源S 不在两平面镜夹角的平分钱上，如图2 — 3 ( b )所示，则 S 对 M 镜成像为，；S 对N镜成像为工；而 £对N镜还可以成像为$ 3 , 因此n 卢2 , 而是等于3 . “ 公式' ' n = 等 - l 就不再是正确的了. 这种在逻辑上称为用枚举法的不完全归纳所得出的结论，并不是永真的.图2-3例 3 在一悬线的下端挂一个质量均匀的金属空心球，球内充满水，构成一个单摆. 如图2 - 4所示. 悬点A到金属球球心0的距离而=1.当它做简谐振动时，其周期为1 二 2限如果盛水的空心球底部中间有一个小孔，水从小孔不断流出，其周期T将如何变化？有的答案是，在单摆运动过程中，随着水从球内流出，周期逐渐变大，直到水流完时，恢复为原周期. 这是因为：单摆的摆长是由A点到摆球质心0 （ 该质心是空心球和满球水的公共质心）的距离，当尚未流出时，摆长为1 ,单摆的周期由T = 2元《 决定. 当摆球摆动时， 球内的水从小孔慢慢流出，这时，空心球的质心仍在球心，而球中的水由于不断减少而引起水的质心降低，那么，空心球和水的公共质心（ 即摆球质心）也随之降低，致使摆长变长，周期慢慢变大，直到水全部流完后，空心球的质心就是摆球的质心，又回到0 点，摆长恢复为1 , 所以周期恢复为原周期.乍看起来，这是一个合乎逻辑的解释，但是，实际上是错误的. 错在质心的改变上. 在水开始流出的前一个阶段，由于水的质心降低，确实引起空心球和水的公共质心慢慢降低，摆长变长，周期变大. 然而，不要忘记，空心球的质量是不变化的，因此，公共质心不是随着水不断流出而始终降低，而是降低到一定程度后（ 注意，水并没有全部流出），公共质心又逐步上升，直到水全部流出时，公共质心就是空心球的质心，即又回到水未流出时空心球和水的公共质心0 点. 这就是说，在水不断流出的过程中，周期变化的过程是：从原周期先增大，增大到一定程度以后（ 这时水并没有全部流完），再减小，直到恢复原周期.由此可见，原来的解答是有科学性错误的. 然而，仔细推敲一下，这个题目本身也是有问题的. 问题在于什么是单摆. 我们知道，单摆是一个理想化模型，它的装置是一根不可伸长的轻绳（ 质量忽略不计），上端固定，下端悬挂一个可视为质点的摆球. 题目中给出的装置，在摆球的大小远远小于悬线长度时，球中的水并不流出的情况下，则可以看作是一个固定的单摆. 当它摆动时,如果摆角小于5° ,则其摆动的周期可按r = 2 兀（ 来计算. 然而，文睬在摆动过程中，球中的水不断流出，又不忽略摆球质心的微小变化，则该装置就不是一个固定的单摆了，只能是在某一时刻就相当于一个摆长的单摆，过一瞬间，这个单摆就消失了，又相当于另一个摆长的单摆， ……也就是说， 题目研究的是“ 瞬时单摆” 的 情况. “ 瞬时单摆”的周期有什么意义呢？又怎样用实验测定呢？在教学中讨论这样的问题，是无益的，且混淆学生对单摆的认识. 因此，题目本身是不妥的.为了防止教学中的科学性错误，要求物理教师要有高一级的物理知识水平. 只有教师对知识理解得透彻，掌握得牢固，才能在讲授时深入浅出、通俗易懂，且无科学性错误.这里，应当指出：我们所说的科学性原则，主要是指科学内容上要正确无误，并不意味着不分对象，不分学习阶段，单纯地追求严格性. 要知道，严格是相对的. 对某一概念或规律，从初中的定性说明，到高中的定量表述，内容的深度和严格的程度，显然是不同的，但必须都是正确的.例如，在初中讲授功的概念时，只讨论恒力的方向跟物体位移方向一致的情况，得到W=F ・ s.即外力对物体所做的功等于物体所受的外力与在该力方向上的位移的乘积. 到高中阶段，进一步考虑恒力的方向跟物体位移的方向有夹角。

的情况，从而涉及到力的分解，得到W=F , scos 0 .两者严格的程度虽然不同，但都没有科学性错误.又如，讲能量概念时，通 常 说 “ 能够做功的物体都具有能量”，这虽然不是能量的确切定义，但考虑到中学生的理解能力和接受情况，这样讲法是可以的，不能算是科学性错误. 但是，如 果 说 “ 物体有能量就有功”或 “ 物体能量小就一定做功少”，等等，却都是错误的.再如，在 初 中 讲 “ 大气压是由大气层的重量产生的”，虽然这不是大气压产生的实质，但这种说法是可以的. 然而，如 果 讲 “ 密闭容器里的气体的压强是由其重量产生的”，则是荒谬的.( 2 ) 阐述物理概念和物理规律要有充分的事实依据.所谓充分的事实依据，包括直接观察的现象和实验事实，也包括已有的知识结论.有许多物理现象是日常生活中常见的，学生可以体验得到的. 例如，用手拍桌子时，手的疼痛感觉告诉我们，当手给桌子一个作用力时，桌子也给手一个作用力；当你直立在黑板前，水平用力推黑板时，黑板将会把你推倒. 这些事实说明两个物体间的作用是相互的，力是同时成对出现的，而且分别作用在两个不同物体上. 这种结论的事实依据是充分的. 至于作用力和反作用力的量值关系，则还必须要用另外的定量实验来说明.还有很多物理现象是学生不能亲身感受到的，这就必须通过实验令学生观察. 例如，讲授电流周围存在有磁场这一内容，如果只是把结论讲给学生听，由于学生以前没有感性知识，现在也没有亲自观察过，只能是生记硬背，这样的教学是缺乏科学性的. 这时，我们可以把若干个检验磁针摆放在通电导线的周围，或者在一个垂直通电导线的平面上放置一些铁屑，磁针的摆动取向或铁屑的有秩序的排列，为我们阐述电流周围存在磁场提供了充分的事实依据. 实际上，这也是培养学生实事求是的科学态度的重要途径.2 . 生动的直观性原则学习物理，首先就要对事物和物理现象进行细心的观察，包括在课堂上和在实验室里通过实验进行观察，使学生具有生动的、具体的感性知识. 这是获得知识的源泉，提供思维加工的丰富资料. 因此，在物理教学中，教师必须创造条件，使客观事物、现象形象化，便于学生观察、想象. 只有这样，才有利于学生了解物理现象，发掘问题，取得数据，进行思维加工活动，从而建立概念和规律，以及运用，这就是生动的直观性原则的目的.例如，有的教师在讲授电流表时，发给每个学生一块电表和•把小改锥，令学生在课堂上亲自动手打开电表的后盖，观察电表内部的结构. 在学生已获得感性知识之后进行讲授，效果很好，甚至有些内容，如调零点的螺丝等等，教师不需要再讲，学生就已经掌握.又如，讲授电磁继电器的工作原理及其应用时，由于继电器比较小，它在工作过程中的动作，教室内的学生是观察不到的. 这时，如果利用幻灯设备，把它放大投影到白色的墙壁上，那么，学生既看到实物设备，乂观察到继电器的工作过程，效果极为生动、直观，易于学生掌握.图2-5再如，讲授压力概念，同样应当令学生观察、思考：在架起的木板上放•个重物，物体把木板压弯了（ 图 2 — 5）；人走在松软的土地上，留下一连串的脚印；用力往木板上按图钉，图钉就钉进木板里（ 图 2 — 6） . 再令学生思考这些司空见惯的现象是怎样产生的？同学们可能回答说这是由于物体和人有重量而产生的. 这个回答是不对的. 图钉有重量，其方向是竖直向下的，它怎能使图钉钉入木板内呢？进而引导学生仔细观察上述现象的特点：物体和木板、脚和地面、手和图钉都是相互接触，并互相挤压的（ 在前两个现象中，重量只是创造了挤压的条件），由挤压产生的作用力是发生上述现象的直接原因. 这样,学生很容易理解由相互挤压而产生的、垂直作用在物体表面上的力叫做压力.还如， 碰撞现象是比较复杂的. 两个宏观物体相碰时， 彼此都要发生形变. 由于形变，每个物体分别给对方以弹性力作用，从而改变每个物体的运动状态. 学生虽然经常看到碰撞现象，但对碰撞过程是含混不清的，特别是对什么叫碰前的状态和什么叫碰后的状态不清楚. 一般有不少书中的插图，如 图 2 — 7 所示，其 中 I 叫碰前，I I 叫碰撞，III叫碰后，这也容易给人造成错觉.1 O O1 1 OO1 1 1 O O图2-7让我们以两个质量相同的弹性小球相向运动的情况为例，来讨论它们碰撞的具体过程（ 图 2—8）.图中小球内部的箭头表示运动速度的方向，箭头的长短表示速度的大小. 明确地告诉学生，在宏观物体碰撞理论中的所谓“ 碰前”，并不是状态I , 而是状态I I , 即两个弹性小球“ 要碰还没碰，没碰就要碰”这个时刻的状态；由于它们具有相向运动的速度，开始相互挤压，发生形变，从而产生弹性力. 向右运动的第1个小球受到第2 个小球给它向左的弹性力，开始做减速运动，从而向右运动的速度减小；同时，向左运动的第2 个小球受到第 1个小球给它向右的弹性力，开始做减速运动，从而向左运动的速度减小，如 图 2—2山所 示 . 这 时 ，虽然相对运动的速度减小了，但仍具有相向运动的速度，仍继续相互挤压，继续形变，从而产生更大的弹性力. 两个小球分别在弹性力作用下，继续做减速运动，直到相对速度逐渐减小到零，如 图 2—8IV所示.I © ㊀II 00in O Oiv 0 ©vvi ©9皿㊀ ©图2-8如果碰撞过程从碰前状态II开始，到相对速度为零状态IV结束，小球的形变完全不能恢复，则这种只有压缩阶段，丝毫没有恢复阶段的碰撞，叫做宏观物体的完全非弹性碰撞，状态IV叫 做 “ 碰后” .如果小球的形变可以恢复一些,则彼此分别在相互作用的弹性力作用下做加速运动，分别向相反方向运动，具有速度，如 图2—8V所示. 这种从状态n开始，到状态V结束的碰撞，叫做非弹性碰撞，状 态V叫 做 “ 碰后”. 如果小球的形变可以完全恢复，则它们继续做加速运动，速度不断增大，如 图2—8VI所示. 这种既有压缩阶段，又有完全恢复阶段的碰撞，叫做宏观物体的弹性碰撞. 状态VI叫 做 “ 碰后”，即两个小球 “ 要离开还没离开，没离开就要离开”这个时刻的状态. 这样，把不易被人察觉的、隐藏在内部的现象，生动地形象化、具体化，便于学生了解过程，进行观察和思考，有利于学生正确地理解物理现象. 如果把上述内容作成活动的幻灯片，拍摄成动画电影，效果就会更好.从以上几个例子可以看出，直观教学的手段也是多样化的，如实物、模型、实验、幻灯、电影、板书、板画，以至能唤起学生已有感性知识的生动的教学语 言 . 总 之 ，物理教学中必须积极地为便于学生观察、动手创造条件.3 .启发积极思维原则启发积极思维，是学生在教师指导下，亲自进行观察、实验，进行各种思维加工活动，进行分析问题、解决问题. 一句话，使学生通过自己的手、脑亲自来完成认识上的两个飞跃. 教师要给学生创造条件，引导学生善于观察、善于实验、善于思考，并提供应用知识说明、解释现象，以及解决问题的课题和领域.例如，在学习密度概念之前，教师可以引导学生观察，并提出问题令学生思考，如观察金和黄铜都是黄色的，铝和锌都是灰白色的. 现在有金、铜、铝、锌各■块，请学生思考，用 什么 办 法 （ 当然是物理方法）把它们鉴别出来.一座已建成的花岗岩的石碑，它的质量是不能直接用天平称量的. 请学生思考，有什么办法知道它的质量.通过很多学生一起讨论，使学生明确体积相同的不同物质，它们的质量是不等的. 引入密度概念后，由学生自己回答上述一些问题.又如，讲解有固定转轴的物体的平衡条件时，可引导学生通过实验、观察,取得数据，得出结论. 采用如图2—9所示的力矩盘来做实验. 根据实验所取得的数据，通过分析，总结出有固定转轴的物体的平衡条件是对转轴所有力矩的代数和等于零. 这时， 教师可提出问题：如果去掉转轴左边的一个力的作用，将发生什么现象呢？学生通过实验，观察到力矩盘微微摇动一下，立即又处于平 衡 . 但 ，这时弹簧秤的指示改变了. 再记录所取得的数据，经过分析，仍满足上述的结论. 教师再引导学生把悬挂的物体都去掉，又怎样呢？学生通过实验发现，力矩盘较大的转动一下，又处于平衡. 这时弹簧秤上的读数，虽然可以不为零，但弹簧秤对物体的拉力的方向是通过转轴的，因此，仍然满足上述结 论 . 这 样 ，经过学生动手、动脑， 自己发现了规律，既提高了学生学习的兴趣，又使学生掌握了知识，提高了能力.再如，全反射现象的教学，同样，令学生通过实验，观察一束光从光密介质射向光疏介质时，在两种介质分界面处分成两束光，一部分光被分界面反射回到光密介质内部，反射角i '等于入射角i ;另一部分光通过分界面，进入到光疏介质中，并发生折射，折射角Y大于入射角i ,如 图2 — 10所 示 . 这 时 ，引导学生注意观察，当入射角增大时，将发生什么现象？学生会观察到：入射角慢慢增大时，反射光线的反射角和折射光线的折射角也在不断地增大；反射光线越来越强，折射光线越来越弱. 当入射角大到某一角度时，折射角变成90° ,折射光线变得极弱，入射角再大一点，入射光线将完全被反射回来. 这时，教师给出临界角的概念，并强调发生全反射现象的两个条件：光线从光密介质射向光疏介质；且入射角等于或大于临界角.图 2-10不仅要启发学生善于观察，积极思考，通过实验如何总结规律，而且还要启发学生如何运用已有知识解决问题.例如，一条轻绳跨过定滑轮，绳的一端拴一质量为M的物体，质量为m的举重冠军用力拉绳的另一端，如图2 — 1 1 所示. 请学生们讨论，在 m V M 的情况下，举重冠军能否把物体M拉上去.图 2-11如果学生认为举重冠军的力气很大，当然可以把物体M拉上去，则这就犯了不思考而想当然的错误. 要启发学生明确，要想使物体上升，绳子的拉力必须大于M g ,而当举重冠军用力F 拉绳，力小于M g 而大于m g 时，M 物体静止不动，而这时举重冠军受两个力：竖直向下的重力m g 和竖直向上绳子的拉力F '（ 根据牛顿第三定律得知I F ' | = | F I > m g ）, 结果绳把举重冠军拉上去了，相当于他在爬绳.在这个基础上，还可以让学生讨论：在 M > m 的情况下，如果把绳子拉斜,一只脚蹬住一个小土坑，如图2 —1 2 所示，能否把物体M拉上去呢？图 2-12引导学生运用已有的知识，经过分析得出正确的结论，即当满足F > M gF e o s 9 < m gF s i n 0 = f时， 举重冠军才能把物体M 拉上去（ 式中f 是小土坑给人的水平向右的力） .这里应当指出，启发学生发掘问题，思考问题和解决问题，要考虑到学生的智力水平和接受能力，要循序渐进.所 谓 “ 序 ”，有两层含 义 . 一是指知识本身的逻辑顺序，二是指学生的思维顺序. 这就要求我们按照物理学知识体系的客观结构，按照学生的知识基础,正确地处理简和繁、易和难的关系，以便更有利地调动学生的主动性和促进学生思维能力的发展. 在循序渐进的基础上，充分注意学生的潜力，教学上要有高标准的要求，知识的难度和深度可以逐步提高，垂手而得的知识是不能更好地起到发展学生思维能力的作用的.总之，调动学生积极、主动地思维，可以使学生生动、活泼、主动地学习,自觉地掌握知识，提高能力.4 .理论联系实际原则理论联系实际是辩证唯物主义认识论的核心内容. 概括地讲，它是指人类的 认 识 （ 知识）都是来源于实践的，又反过来受实践检验，为实践服务的.- - 谈到理论联系实际，人们往往认为这是个理论问题. 其实，就物理教学而言，理论与实践的统一，既是理论问题，更多的又是一个实践问题. 为了正确地理解和贯彻这一原则，首先应当明确，在物理教学中，为什么必须理论联系实际和如何联系实际这两个问题.物理教学必须理论联系实际，这是由物理学本身的性质、特点、作用和任务，以及教学的目的所决定的. 物理学是一门实验科学，物理概念的建立，物理规律的发现，物理学理论的形成和发展，都是在实践中进行的. 掌握知识的目的，要么是为了解释和解决人类生产、生活实际中遇到的现象和问题，要么是为了回答和解释科学实验中发现的新的物理现象，一句话，是为了指导实践 . 从 古 代 “ 钻木取火” 一类最简单的物理现象的认识和应用，直到经典物理学体系的建立和完善，以至现代物理学领域的开拓和发展，无一不是如此. 从这个意义来讲，离开了人类的实践活动，物理学就变成了无源之水，无本之木,而物理学若不反过来应用于实践，就失去了它存在的意义.那么，如何贯彻理论联系实际的原则呢？中学物理教学的主要过程是观察、实验、思维和运用. 应当把理论联系实际的原则贯彻到各个教学环节之中. 联系实际的内容和形式，依各个阶段教材内容的要求而异，既不能生拉硬扯地追求“ 联系实际”的形式，也不能由于联系实际而忽视了基础知识的学习，更不能把物理课变成生产技术实习课. 首先,直观的观察本身就是从实际出发，这不仅包括观察日常生活和生产活动中的物理现象，而且包括物理实验（ 演示实验、学生实验）的观察. 就物理教学而言,很多的内容都要通过实验观察，以唤起学生的感性知识或把日常生活中的各种物理现象形象化、具体化、典型化地在课堂上重现，在这个环节中要培养学生观察实验现象、处理实验数据的能力和使用各种实验仪器的本领. 其次，思维加工的过程是直观观察的继续，是从实际中抽象出概念、总结出规律、形成理论的过程. 在这个环节中，贯彻理论联系实际就是要求学生必须把思维活动建筑在真实的、可靠的观察基础上，而不能无根据地“ 思维”，而且这种思维活动还必须联系中学生的数学知识基础和接受能力的实际. 例如，对初中学生一般只要求根据实验现象、通过形象思维，总结出一些定性的物理结论，定量要求低些. 对高中学生则可以通过抽象思维、数学逻辑推理，总结出一些定量的物理规律. 最后，把知识直接或间接地应用于实际，用来说明、解释一些现象,以及解决一些有关的简单问题，这更体现了理论联系实际的原则.此外，指导学生自己设计实验，制作简单的实验仪器，解答物理思考题，完成物理计算题，以及开展课外物理小组活动，组织教学参观等，都体现着把物理知识应用于实践.总之，理论联系实际的原则和物理教学的观察、思维、运用等过程是密不可分的，它反映了认识上的两个飞跃过程.5 . 激发学生兴趣的原则非智力因素中的兴趣、情绪、意志，对学习有较大的影响.兴趣，是人要求认识客观事物、获得知识的一种心理表现，是推动学生学习的一种最实际的内部动力；情绪，是客观事物是否符合人的需要与愿望而产生的体验，符合愿望就会产生肯定的态度，引起满意、愉快、进取等积极的内心体验；意志，是人为了达到某个目的，自觉组织自己的行动，并与克服困难相联系的心理过程.在物理教学中，首先应通过各种环节，特别是教学内容的处理和选择，使学生的心理状态由好奇转变为喜爱，激发起学生学习物理的兴趣；再通过教给学生知识、技能、以及研究问题、处理问题的方法，引导他们入门，甚至使学生看到自己学习的成果，培养学生具有饱满的学习情绪；最后的目标是使学生树立起克服学习中的种种困难的意志. 也就是说，在物理教学过程中，应使学生在愉快的气氛中把物理智力活动由最初发生兴趣，引向热情而紧张的思考，由饱满的学习情绪引向自觉学习的意志，让非智力因素充分发挥出推动学习、提高学习效率的巨大作用.以上儿条教学原则，在物理教学过程中应当突出，其实质可以简约地概括为以下三个方面：（ 1 ）从科学处理物理教学内容的角度来看，贯彻“ 一少、二精、三活”的原则.“ 少”的目的是分清主次，突出重点，从实际出发，精选内容. 少是为了学生真正学到点东西.“ 精”是指对最有生命力的，最重要的基础知识学得扎实一些，学得好一“ 活”是把知识能力统 起来，能够把所学的知识转变为自己的实际行动,能够举一反三，以一贯十.（ 2 ）从学习物理的角度来看，贯彻“ 一观察实验、二思维、三运用”的原则 .（ 3 ）从发挥非智力因素作用的角度来看，贯彻“ 一兴趣、二情绪、三意志”的原则.第三章物理教学方法教学方法是随着教学过程的变化而逐渐发展的. 正确地选择、恰当的运用教学方法，对顺利地完成教学目的、任务，具有重要的作用.§ 1教学方法的概述教学方法是在某种教学模式下教师和学生共同完成教学任务所采取的工作方式组成的方法体系，它包括教师的各种工作方式和学生的各种学习活动方式.从这个定义来看，教学方法具有如下两个主要特点：一是教学方法体现了教师活动和学生的认识活动的相互关系；二是教学方法是为达到教学目的而进行的一种有组织的活动程序，是一种有秩序的活动方式体系.这里应当指出：1 .教学方法、教学方式和教学模式是三个不同的概念教学模式是在一定教学思想或理论指导下所建立起来的各种类型教学活动的基本结构或框架；教学方法是在某种教学模式下所采取的工作方法体系；而教学方式则是教学方法的细节，教学方法是由许多教学方式所组成的.科学地选用教学模式的目的：一方面是把教学理论与教学实践联系起来，对某些有效的具体教学活动方式，经过优选，概括和加工使它能为某一主题范围内所涉及的各种因素和它们之间的相互关系提供一种稳定的结构. 另一方面,它还为某种教学理论运用于实践提供了较为完备的可操作的实施程序，有利于人们去把握和运用. 另外，运用教学模式，还可以帮助我们从整体上去综合地探讨教学过程中各种教学方法的选取、组合和运用，以及多样化的表现形态，有利于我们从动态上去把握教学过程的本质和规律.2 .选择、运用教学方法，要从实际出发教学方法的选择、确定，是有客观基础的，绝不能只根据教师的意向来选择，对选择、确定物理教学方法有直接影响的因素有：培养目标、教学思想、教学内容、学生已有基础、学校条件、教师的素质，等等. 无论选择哪种具体方法，都要从实际出发，所选择的教学方法，都应促进师生之间相互交流，激发学生的学习兴趣，引起积极的思维活动，有利于学生掌握知识、发展智能，提高思维品德素质.3 .教学方法对教学效果有特殊重要的影响同样的教材，让具有知识水平相当的教师使用，由于教学方法上使用的得失，其教学效果往往不尽相同. 这说明，要取得良好的教学效果，必须讲究教学方法. 教学工作决不是简单地照本宣科，而是结合学生实际的- - 种再创造性的劳动. 因此，教学方法对教学效果有特殊重要的影响.§2近代教育史中教学方法的两大流派历史上流传下来的教学方法是极其丰富的. 这里只介绍近一百多年来有代表性的两种教学思想和方法.1 .赫尔巴特的教学思想和教学方法赫 尔 巴 特（ J . F . H e r b a r t 1 7 7 6 —1 8 4 1 ）是德国著名的教育家. 他提出了一整套教育理论体系，在教学方法方面提出了一些有益的见解.赫尔巴特根据他对兴趣和注意规律的分析，主张教学应按一定的程序进行. 他把教学程序分为四个阶段：明了、联想、系统和方法. 无论哪个阶段，都应注意学生的心理状态，选择恰当的教学方法.（ 1 ）明了阶段.这个阶段的重点是采用清晰的、简明的讲解和直观示范的叙述方法，使学生自然地把兴趣点、注意力集中在新的事物、新的观念上，对新的教材内容产生探求的意向.（ 2 ）联想阶段.这个阶段的重点是采用风趣的谈话、分析的方法，使学生把所获得的新观念与原有的观念进行联想，激发学生寻找它们之间联系的浓厚兴趣.（ 3 ）系统阶段.在这个阶段里，主要是采用综合法，使学生获得新、旧知识的内在系统联系和确切的定义、结论.（ 4 ）方法阶段.这个阶段主要是通过练习和作业，注意处理方法，完成运用知识的任务.根据四段教学的需要，赫尔巴特提出了三种教学方法:第一，叙述教学法. 主要用于教师传授新教材，要求教师语言生动形象，善于启发提示，最好有直观教具配合.第二，分析教学法. 要求教师指导学生将获得的许多观念加以分辨、归类,找到使知识条理化的方法.第三，综合教学法. 要求教师要教会学生把知识整理概括成一个综合的整体，从而获得全面完整的系统知识，掌握知识之间的联系.后来，赫尔巴特的学生席勒(T . Z i l l e r ),莱 因(W . R e i n ),根据当时传授知识的需要，把赫尔巴特的四段教学，扩展为五个教学步骤：(1 )预备.唤起学生已有的旧概念，提出问题，说明目的.( 2 )提不.提出新课题，讲解新内容.( 3 )连结.把新、旧知识相比较，建立它们之间的联系.( 4 )总结.总结、概括，得出结论.( 5 )应用.运用所学知识，解答问题，进行练习.以上就是教育史上著名的五段教学法. 五段教学法在一定程度上符合人的心理规律和教学的某些规律，重视了新、旧知识的联系，注意根据学生心理状态、 兴趣特点选用教学方法， 强调通过练习作业巩固知识等， 是有积极意义的. 在1 9世纪末至2 0世纪初，这种方法盛行于欧美，传入中国后，曾对中国当时的中小学教学有一定影响.2 .杜威的教学思想和教学方法约 翰 •杜 威( J . D e w e y 1 8 5 9 —1 9 5 2 )是美国著名的哲学家和教育家，是实用主义教育思想的创始人. 在教学方法上，他提出了 “ 从做中学”的基本原则,他认为学生应该从自身的活动中进行学习，以使学生的兴趣和需要得到满足.杜威强调在教学过程中要唤起学生的思维. 他认为人的思维可以分为五个步骤：（ 1 ）疑难的情境.（ 2 ）确定疑难的所在，提出问题.（ 3 ）提出解决疑难问题的各种假设.（ 4 ）推断哪一种假设可以解决问题.（ 5 ）通过实验，验证或修改假设.杜威认为思维的作用就是将模糊的、疑难的情境，转变为清晰的、确定的情境.根据思维五步的观点，杜威提出了教学过程的五个步骤：（ 1 ）教师给学生创设一个课题的情境，情境必须与实际经验相联系，使学生产生要了解它的兴趣.（ 2 ）给学生足够的资料，使学生进一步观察、分析，研究该课题的性质和问题所在.（ 3 ）学生自己提出解决问题的设想，或暂时提出一些尝试性的不同的解答方案.（ 4 ）学生自己根据设想，进行推理，以求得解决问题的方案.（ 5 ）进行实验验证，学生要根据明确的假设方案亲自动手去做，以检查全过程所达到的结果是否符合预期的目的. 在做的过程中，自己发现这些设想、假设的真实性和有效性.杜威的教育思想和“ 教学五步”方法，不仅对美国，而且对世界许多国家产生了深刻的影响. 杜威曾于1 9 1 9 年至1 9 2 1 年在中国的十三个省、市进行了教育讲演和调查，对当时中国的教育发生过一定的影响.在现代各种教学方法中，往往可以看到这两大流派的不同影响及其发展.§ 3 中学物理教学中常用的教学方法历史上继传下来的教学方法是极其丰富多彩的. 随着生产和科学技术出现了新的重大变革，教学思想、教学内容的改革，教学手段的不断改进，对教学提出了更高的要求. 在教学方法改革的过程中，又出现了许多新型的教学方法.教学方法的分类，是一件很复杂的事情. 从不同的角度、不同的目的来划分，同一利工作方式方法，可以有不同的名称. 这如同物理学中力的概念那样,同一个力，按不同的研究角度来分类，可以有不同的名称. 例如，按照相互作用的本质来分类，这个力叫做引力，或叫做电磁力，或叫做强相互作用，或叫做弱相互作用；按照研究对象所划分的范围来分类，这个力叫做外力，或叫做内力；按它做功与路径的关系来分类，这个力叫做保守力，或叫做非保守力；按照效果分类，这个力叫做合力，或叫做分力，等 等 . 此 外 ，也有不按上述分类命名的，而按其特点起一个形象的名称，如压力、拉力、张力、牵引力、上举力、向心力，等等， 目前，教学方法的名称，也是非常多的，举不胜举. 然而，各种名称的教学方法，都可以按不同的分类法，使其从属于不同的序列中.例如，按照教学过程中所采用的手段来划分，可以叫做语言法，或直观法,或实践法；按照学生获得知识的来源来划分，可以叫做讲授法，或阅读法，或观察实验法；按照物理学的内容特点和研究方法来划分，可以叫做观察法，或实验法，或单元结构法，或归纳法，或演绎法，等等.此外，也有按其中某一特点而形象地命名的，如悬念法、学导法、导学法、暗示法、图示法……，自然，这些方法可以分别纳入到不同分类方法的不同序列中.下面，我们以教学方法的含义——教师和学生在教学过程中的工作方式方法，来作为分类的依据，并考虑物理学科的特点，介绍物理教学中常用的教学方法. 大致可以归纳为以下儿种方法.1 .讲授法讲授法的特点是，主要依靠教师的语言，辅以演示实验和各种直观教具，使学生掌握知识，启发学生思维，发展能力.教师要适当地利用实物、挂图，尽量多做演示实验，并以生动、形象、富有感染力、说服力的语言，清晰明确地揭示问题的要害，积极地引导学生的思维活动.学生的学习，主要是观察实物和演示的现象，按照教师引导的思路，对教师讲授的内容、事物、现象有明晰的印象，并积极地思考，达到对教材的内容有较深刻地理解，并从中学到一些研究问题、处理问题的方法.众所周知，有许多物理知识，需要通过教师的系统讲授，学生才能理解，在学习中才会少走弯路，才能达到对知识深刻理解和牢固掌握.应当指出，即使在科学技术发展突飞猛进、教学改革逐步深入的今天，课堂讲授法仍不失为一个主要教学方法的地位. 物理教学方法中的讲授法，并不是教师只用一支粉笔和一张嘴， 按照物理课本中的叙述， 在课堂上“ 照本宣科” ，学生只是做做记录. 通常所说的“ 教师念、学生记”的方法，并不是正确的讲授法，而是对讲授法的一种错误认识.讲授法要求物理教师通过各种直观演示，或以生动形象的事例唤起学生已有的感性认识，系统地讲解物理学知识，讲解问题的关键、要害，揭示事物的矛盾，教给学生处理问题的方法，引导学生积极思考，学会掌握物理知识的特点 .采用讲授法，应当做到：( 1 ) 讲授的内容，必须处理得当，要符合学生的实际水平，要符合学生的认识规律.( 2 ) 要创造学习物理必须进行观察的环境，即要加强演示实验.( 3 ) 讲授时要突出重点，条理清晰，语言要直观、形象、准确、精练，能唤起学生头脑中已有的印象，并能激起学生积极地思考，加速对知识的理解.( 4 ) 讲授知识，要立足于发展学生能力. 要善于运用比较、分析、综合、判断、推理等思维过程和形式，把科学的客观性、逻辑性与一些艺术手法结合起来，使学生在学习知识的过程中，掌握发现问题、处理问题、解决问题的方法.( 5 ) 教师要以身作则，通过讲授知识，潜移默化地对学生进行思想教育，培养学生实事求是、相信科学、热爱学习的高尚思想情感.2 . 实验法把观察、实验这种人类对客观事物的认识方法，与物理教学有机地结合起来，就构成了物理教学中常用的实验法. 包括边讲边实验，学生分组实验，变演示为学生实验，学生课外实验，等等.实验法的特点，主要是靠学生亲自动手实验，把实验感知与思维活动紧密结合，来获得知识，发展能力.在教学过程中，培养学生观察能力、实验操作技能、归纳推理能力，养成严谨的科学态度和实事求是的工作作风.教师主要是创造实验环境，指导学生自己动手、动脑；学生在教师的指导下，亲自操作，进行观察、思考、分析、综合实验现象，归纳得出结论.学生在进行实验过程中，教师不仅要引导学生利用已掌握的有关知识和经验，而且要善于根据情况的变化，灵活地运用知识. 实验活动本身包含着复杂的认识活动. 通过观察现象、亲自安装实验设备、使用仪器等各种实际操作，以及处理数据得出结论并写出实验报告，可以逐步培养学生掌握知识、技能和进行观察研究、探讨的能力，提高分析问题和解决问题的能力.实验法直观性强，所观察的事物、现象会在头脑中形成生动的表象，对知识的理解和保持，起着十分重要的作用，而且能够激起学生学习物理的兴趣，形成今后的爱好和志趣.3 .学习法学习法是以教师指导学生自己学习（ 阅读教材，进行实验，相互讨论……）为主的方法，即学生在教师指导下，独立地或半独立地进行学习，获取知识、发展能力的教学方法. 问题讨论法、探索发现法、指导自学法等等，都属于学习法的范畴.（ 1）问题讨论法.问题讨论法是指教师根据教学内容和教学目的，事先提出问题，学生通过各种途径，除阅读课本外，- 一 般还应阅读其他参考资料或其他版本的教材，进行各种的观察、实验，搜集资料•，作好充分准备，然后进行讨论，获得知识，发展能力.这里应当指出，如果只在课堂上提出问题，当时就让学生打开书进行阅读,接着就进行讨论，最后全体同学一致得出结论——同意课本上所叙述的黑体字结论，这是一种形式上讨论，一般说来，不能叫做问题讨论法.问题讨论法，必须要让学生在讨论前做好充分准备. 学生的准备过程，就是独立地或半独立地自己学习过程. 然后，通过讨论，可以相互交流、相互启发，集思广益，取长补短，从而从不同的角度来认识事物、现象，达到深入、全面地理解所学知识.例如，学 习 “ 楞次定律”课题. 学生们事前准备，进行实验所用的器材可以是不同的. 有的学生按照课本中的叙述，用一个磁棒、一个线圈和一只电流表、两条导线，做 一 些 实 验 （ 图3—1）,进行观察，取得资料.有的学生参阅其他书籍，用另外一些设备，做了如图3 — 2所示的实验.图 3-2还有的学生从其他版本的教材（ 如中等专业学校试用教材物理下册）中发现，建立楞次定律的途径不是唯一的，他没有采用实验归纳法来建立楞次定律,而是采用了演绎推理法，从能量守恒定律出发，分析感生电流的方向，最后再用实验验证.在上述准备的前提下，学生已经通过自己的学习取得了初步认识，再通过相互交流的讨论，是很有意义的.实际上，在学生独立地或半独立地分别学习各种参考书，相互交流时，可以发现在一些内容上的表述是不完全相同的，例如楞次定律的表述有如下若干种：“ 感生电流的磁场总是要阻碍引起感生电流的磁通量的变化. "“ 感生电流的方向，总是要使感生电流的磁场阻碍引起感生电流的磁通量的变化. "“ 感生电流的方向，总是使得它所产生的磁场来阻碍引起此感生电流的磁通 量 的 变 化 （ 增多或减少）. ”“ 感生电流的方向总是要阻碍穿过线圈的磁通量的变化. "“ 闭合回路中的感生电流具有这样的方向，它产生的磁通量，总是力图补偿引起感生电流的磁通量的改变. "“ 感生电动势有产生电流的趋势，所产生的电流有阻碍产生感生电动势的作用. ”采用问题讨论的教学方法，学生们在阅读资料过程中，自然就会相互启发、相互讨论，找出它们的共性，加深对它的理解.这样学得的知识能保持较深的记忆，讨论中还能增长新知识，活跃思想，增强兴趣.然而，运用问题讨论法时，对教师的要求将更高.①教师应提出讨论的具体要求，对讨论中学生可能提出的问题要充分估计到.②要引导学生事先分别阅读各种参考书，教给学生阅读方法，认真思考，积极准备，引导学生做一些实验，或进行对现象的观察，要求学生写好发言提纲. 要 有 观 点 ，有材料•，有分析，有结论，防止讨论脱离主题，流于形式.③讨论过程中，要善于启发学生独立思考，充分发表自己的见解，并能对不同的意见展开讨论. 最后，教师要对讨论的问题作出明确的结论.（ 2）探索发现法.发现法的倡导者是美国的布鲁纳，是以发展探索性思维为目标，以学科的基本结构为内容，以再发现为步骤的学习方法.学习物理课程，不仅要掌握知识本身的内容、特点，而且要掌握获得知识的过程.运用发现法的一般步骤是：①教师首先提出带有探讨性的问题，学生带着问题进行观察一些具体事实,或进行实验；②根据观察、实验的结果，或根据已知理论进行推理，提出有关现象的原因，概念之间和数量之间的联系等推测，再进一步思考，或再进一步实验……;③学生在教师引导下把已有的知识与研究的问题结合起来，进行对照分析,抽象概括，通过学生的探讨，得出概念或结论.例如，学习“ 压强”课题. 教师首先在学生原有知识的基础上，提出新的思考方向：当压力一定时，压强与哪些因素有关？学生在教师所创造的实验环境中，进行探索.首先，做两个实验，将砖平放，轻轻地放在纸面上，纸面略有下陷，见图3- 3 （ 实验装置：长方形木制框架上粘着一张薄纸，把框架固定在铁架台上）.仍利用上述装置，把砖竖放，轻轻地放在纸面上，松手后，纸被捅了个大窟窿，见图3—4 所示.学生通过上述实验， 自然会得出结论：砖平放时与砖竖放时，压力产生的效果不同，即压强不同， 压强的大小与受力面积的大小有关.接着，教师引导学生思考，上述结论是否正确， 还需再进一步做一些实验,进行探索.例如，在小盒内装满水泥粉，要求水泥粉松软，用直尺把水泥粉的表面抹平 （ 如 图3 — 5所示）.图3 - 5第一次，把长方形铁块分别平放和竖放在水泥粉的表面上，注意：要轻拿轻放. 观察并比较这两种情况下，水泥粉上出现的压痕深度是否一样，若不一样，哪次压痕深？把实验结果记录在表1内.压力一定，F =0 . 8 N表3 —1研究压强跟受力面积的关系放置压痕压强受力面积每平方厘米面积情况深浅大小( e n t )上受到的压力（ N c m ：）平放较浅较小1 00 . 0 8竖放较深较大20 . 4从 表3—1中可见，在压力相同时，压强跟物体的受力面积的大小有关.第二次，把两块相同的长方体铁块平放叠在一起后，再轻放到水泥粉上，观察现象并跟前一次实验中相同的一个铁块平放时的压痕相比较，哪种情况压痕深？把实验结果记录在表2内.受力面积一定，S =1 0 c m放置情况压痕深浅压强大小压 力 ( N )每平方厘米的面积上 受到的压力( N c m )i块平块较浅较小0 . 80 . 0 8两块叠起平放较深较大1 . 60 . 1 6由表3 —2可见，在受力面积相同时，压力小时压强小，压力大时压强大.通过学生的实验、观察、分析、思考，最后总结出：压强是由压力、受力面积这两个因素所决定的. 当压力一定时，压强的大小与受力面积大小成反比,当受力面积一定时，压强大小跟压力成正比.这种通过教师提出问题和任务，学生积极、主动地探索，发现问题再探索,最后得到解答或结论的方法，属于学生半独立地学习方式.上述的程序，如果不是由学生亲自探索，而是由教师结合实验讲解，当然也留有余地引导学生得出结论，则也可叫做探索发现式的讲授法，或边实验边讲解边探索方法. 可见，叫什么名称是次要的. 要明确，探索发现法作为学习法之一种，关键是组织好学生的学习活动. 教师应向学生提出要解决或探索的问题，使学生明确“ 发现”的目标；创设研究问题的情境，指导学生探求、思考，以及推测各种可能答案，寻求问题的正确结论.探索发现法对发展学生的认识能力、探索能力和创造精神是有益的.§4各种教学方法的比较教学方法有多种多样，每一种方法都有自己的特点，各有其显著的效果，但也有各自的局限性. 例如，美国的布鲁纳的“ 知识结构”课程理论以及探索发现教学方法，能有效地培养学生探索能力、认识能力和创造能力，是具有特色 的 . 在6 0年代，美国物理教学研究会根据这种理论和方法，组织并编写了中学物理教材《P S S C物理》，当时，引起了世界各国的极大重视. 经过几年的实践表明，这种方法虽然对培养学生探索知识、发现规律，训练思维推理能力是有益的，但由于学生的基础、能力等因素不同，教师和学校的环境、设备不同，运用这种方法的效果也是很不同的. 特别是在全体学生中，所有的教学内容都运用这种方法，效果很不理想，甚至给很多学生带来痛苦.把某一种教学方法说成是放之四海而皆准的最佳方法，过分地强调其作用;或把某一种教学方法说得一无是处，过分地贬低其作用，都是错误的.因此，正确地认识各种教学方法的职能和效果，对提高教学质量是具有十分重要意义的. 下面以表格的形式列出各种教学方法的职能和效果：X''\职能效果方法弧佛).1F自iF)女IIi度创造精神，讲授法旁、般实验法也-般般般讨论法般发现法7般弓注：表示能起较好的作用.对教学效果的分析再一次说明了教学实践中将各种方法结合运用的必要性 . 这 是 因 为 ：①方法的多样化能使学生在学习过程中充分调动各种感官的作用，从而使感知更加敏锐、有效；②方法的多样化能保证学生充分利用左、右半脑的不同功能，增强记忆并锻炼各种方式的思维活动，易于对知识的理解，有益于发展能力；③方法的多样化能促进学生认识活动的积极性，有利于调动学生学习的主动性，为认识能力的全面发展创造条件；④方法的多样化有利于提高学生的学习能力，提高学习质量.总之，教学方法是多种多样的，各有其特点，只要运用得恰当，可以达到预期的效果. 然而在课堂教学中，究竟选择哪- 利教学方法，或用哪儿种教学方法结合起来，取决于教学内容和学生实际情况. 不区分教学内容的特点和教学要求，学生的年龄特征和智力水平基础，以及教学环境、教学条件，而千篇一律地采用一种方法是不妥的.例如，对于初中教学中的“ 光的直线传播”课题. 这一课题主要阐述三个内容：第一，光在空气里是沿直线传播的；第二，光在同 利物质里传播的路线是直的；第三，光在空气中的速度与光在真空中的速度相近，近似为3X105km/s.对于第一个内容，由于学生已有较多的感性认识，因此，教师可以用复习、回忆的方式，必要时做一二个演示实验，就可以使学生明确这一内容.对于第二个内容，由于学生的感性认识较少，必须要做实验，通过观察光在各种不同的均匀介质中传播的情况，进而归纳出结论. 可以采用探索发现法.对于第三个内容，由于只要求学生知道光的传播是需要时间的，光在真空中的速度最大，在空气中的速度跟在真空中的差不多，所以，如果采用探索发现法，或问题讨论法，则是不恰当的. 可以叫学生阅读课本内容，或教师讲解,就可以达到目的.可见，教学方法的选择，必须从实际出发，决不能单凭教师的主观意愿来确定. 无论采用哪种教学方法，都必须符合学生认识事物的规律. 学生掌握知识，要经历感知阶段、理解阶段和巩固、运用阶段，教师应根据学生的这一特点，考虑教学内容和实际条件，合理地选择教学方法，积极地引导学生循序渐进地掌握知识、提高能力.§ 5 改革教学方法的指导思想——启发式众所周知，具体的教学方法是多种多样的，但是，无论哪种具体的教学方法都带有不同程度的启发因素. 这些因素能否在实际教学中发挥出来，取决于教师运用教学方法的指导思想，是注入式，还是启发式. 如果认为启发式会浪费时间，或认为低年级学生年龄小、程度低，启而不发，高年级学生年龄大，程度高，不启自发，而采用注入式作为指导思想，就发挥不出来. 如果以启发式作为指导思想，就可以发挥出来.启发式并不能简单地理解为“ 提问”的方式. 例如，教师习惯于在讲课时随口问学生“ 对不对？ ”、 “ 是不是？ ”学生异口同声地回答“ 对 " 、 “ 是”，这 种 “ 大合唱”的问答，绝不是启发式；又如，问 “ 玻璃仪器容易不容易坏？ ”答 曰 “ 容易”，又 问 “ 搬运时应该怎么样？ "答 曰 “ 小心放置，轻拿轻放. ”这种提问和回答对于中学生来说，也绝不是启发式，因为它并没有调动学生的积极思维活动；再如，问 “ 力学中常见的力有三种力，除重力、弹力以外，还有一种叫什么力？ "答 曰 “ 摩擦.”这样把摩擦 二 字 “ 启发”出来了，充其量也只能是启发学生回忆，也不是启发式. 即使在一堂课上，教师做了很多演示实验，或者在学生实验课上，学生按照教材上写的实验步骤， 一步步亲自动手做实验，也可能是注入式，不一定就是启发式. 相反的，如果采用讲授法，教师用生动的语言，学生积极思维，也可以是启发式的.总之，不要看形式，而要看实质. 一句话，凡利于调动学生认真观察、实践，并积极主动地思维，通过学生动手、动脑，探索知识，运用知识，完成认识上两个飞跃的教学过程，就是启发式.启发式的核心是调动学生积极思维活动. 为此，在组织教学中，必须认真考虑学生在学习过程中的心理因素：兴趣、情绪和意志. 也就是说，在教学过程中，要启发学生对学习物理的浓厚的兴趣；强烈的求知欲望和饱满的情绪；培养学生在学习过程中，有充分的信心和决心克服困难的意志.概括地讲，就是要启发学生的学习兴趣，求知的饱满情绪和热爱科学、勇于樊登高峰、克服困难的意志. 具体地讲，要启发学生进行观察、实验、了解现象，发现问题，积极思考；启发学生阅读教材，根据已有知识，运用数学推理，导出新的规律；启发学生分析问题，认识本质；启发学生运用知识，解决问题.为了达到上述目的，首先要科学地处理教材. 、组织教学内容，分清主次，突出重点，从实际出发，精选材料. 选择具体材料的要求是：①富有代表性. 通过它的学习，能概括一部分教学内容；②富有启发性. 既有兴趣，又能引人深思. 既不是学生所陌生的，又不是学生完全认识的、理解的，也就是说，解决这个问题，既不是垂手可得，又不是高不可攀. 一旦问题解决，不仅能给学生留下深刻印象，又能引人经常叵I 味.③富有成果性. 既能使学生看到自己的学习成果得到精神上的满足，进一步激发主动学习的求知欲望，又能使学生掌握知识、技能和方法，提高学习能力 .其次，要选择适当的教学途径和手段.进行启发式教学的途径和手段是很多的. 从教育学、心理学的角度考虑，启发式教学的方法可围绕以下几个方面.1 . 引起兴趣，发掘问题在初中物理中，有一节讲“ 测量”，这本来是内容比较简单，又比较枯燥的一部分内容，学生也自认为很容易. 为了引起学生的兴趣，教师可以通过用米尺测量铅笔长度的例子来引入课题. 首先让一个学生来量，例如读数为1 2 . 1 c m , 再让第二个学生量，由于青少年好强心理，他可能读出1 2 . 1 3 c m 的读数，甚至再让第三个学生测量，出现1 2 . 1 3 5 c m 的读数，在这个基础上，教师便启发学生考虑，三个学生中谁测得准呢？于是便提出了如何观测，如何读数，根据测量仪器（ 如米尺）的最小刻度，研究仪器的精确度及测量者可以读到何种精确程度等问题. 这就是说，教师在讲课中应结合实验和日常生活现象，提供思考的基础和依据，指出思考的方向和线索，激起学生的思维活动，发掘问题，解决问题.对问题的发掘，可以从实验结果出发. 例如，按 图 3 —6 和 图 3 —7 连接两个电路，通过实验发现，两次测得的电流强度不同. 教师可以引导学生思考测量结果不同的原因，进而从欧姆定律的纯电阻电路中的应用过渡到在含有反电动势电路中的应用.对问题的发掘还可以从回顾原有知识入手，直接提出新的思考方向. 例如,在讲授电磁感应一节时，首先带领学生复习前一章讲过的通电导线周围存在着磁场，即电流可以产生磁场的旧知识；然后，直接给学生提出，反 过 来 “ 磁场能否产生电流”的问题，为了回答这个问题，可以按下列步骤为学生安排实验,进行探索.①如图3—8 , 将一个连有检流计的多匝闭合线圈，从一个固定磁场的两极间拉出，让学生观察检流计指针的偏转，说明闭合线圈中有电流通过.②仍用上述装置，让闭合线圈固定不动，移动磁铁，学生依然观察到检流计指针偏转.这时，学生可能会得出这样的结论：只要闭合线圈和磁场有相对运动，就会圈中产生感应电流. 这个结论是否正确？还需要继续由实验事实来回答.③如图3—9 , 在一个作用区域较大的恒定磁场内，使一个连有检流计的小闭合线圈在磁场中沿图示方向水平移动，检流计没有指示；还可以反过来让二者做相对运动，检流计仍然没有指示.这就是说，闭合线圈与磁场有相对运动不一定会产生感应电流.在这样反复实验的基础上，引导学生考虑，使闭合线圈中产生感应电流的决定因素是什么？最后总结出，决定因素是穿过闭合线圈的磁通量中发生改变 . 这 时 ，学生自己便可得出结论：一个闭合线圈位于某一磁场中，当穿过线圈的磁通量发生变化时（ 不论因何原因变化），闭合线圈中就会产生感应电流.这样讲授电磁感应的现象，既符合学生思维活动的规律，又符合物理教学的原则，同时调动了学生积极、主动的思维活动，获得了新的物理知识.2 . 运 用 “ 注意”的规律，把学生的思维活动引向正确的轨道注意是心理活动对客观研究对象的指向和集中，实际上，注意有两种：一种是有意识注意，另一种是无意识注意.有意识注意是需要意志努力的注意，它是由于一定的目的所引起的，集中精力于某一确定的目标上. 无意识注意是不需要克服什么困难，不需要意志努力的注意，它是由于对象的新颖性、突发性而产生好奇心理所引起的. 无意识注意又可分为有害的和有益的两种：例如，在上课时，教室后面突然发出声响,全班同学不约而同地回头张望，这就是一种无意识注意，而这种现象破坏了课堂秩序，影响了课程的进行，是有害的；又如，教师在黑板上画一幅板画，如图 3—10所示，学生对画中的人物感到新颖、有趣，立刻把精神集中起来，这种现象显然也是无意识注意，如 果 教 师 抓 住 这 一 时 机，把它深化，例如引入“ 如何测量井深”的课题，则应该说是一种有益的无意识注意. 因此，在教学过程中，应该防止有害的无意识注意，充分利用有益的无意识注意. 并将其转化为有意识注意. 为了达到这个目的，教师可以利用实验、板书、板画以至生动的语言等各种手段. 例如，在讲授阻尼振动时，可以先做一个演示实验，从教室屋顶悬下一个大铅球，当作单摆，教师拉直摆线，把铅球拉到刚好与自己的鼻子接触，然后松开手，让铅球摆动，当铅球经过一个周期摆回来时，教师站在原地不动，全班同学精神高度集中地看着摆回的铅球，并替教师担心，生怕铅球把老师的鼻子砸坏，观察结果，老师安全无恙. 教师可以抓住这一时机，提出问题，令学生讨论，由学生自己得出正确的科学道理.图 3-10需要指出的是，在四十五分钟一节课内，学生的注意力不可能始终处于高度集中状态，实际上，也应当有张有弛，在不离主题，不喧宾夺主的前提下，有意识地让学生的注意力放松，穿插一些插曲，讲一些科学史和科学家小故事,也是有益的. 例如，在讲授法拉第电磁感应定律时，可以讲讲瑞士物理学家科拉顿的故事. 科拉顿也想利用闭合线圈和磁棒来做实验，由于没有检流计，他把一个检验磁针放在闭合线圈附近. 为了避免磁棒对检验磁针的影响，他把闭合线圈的引线延伸到另一个房间. 把磁棒插入闭合线圈里，就迅速跑到另一房间观察检验磁针的动静. 结果，他十分痛心地看到检验磁针仍然静止不动. 故事可以讲到这里，让学生思考、回味. 这样一个小故事，不仅使学生的情绪得到放松，而且更重要的是加深、巩固了知识.总之，我们应当恰当地运用“ 注意”的规律，提高启发式教学的效果.3 .通过知识的运用， 使学生在解决问题中看到成果， 精神上得到某种满足,进一步激发学习情绪从心理学角度看，学生的学习情绪，除了决定于是否有兴趣外，还取决于是否能看到自己获得知识、解决问题的成果. 因此，在教学过程中，教师一定要注意教给学生运用知识，提高学生解决问题的能力，这就要求我们正确处理讲和练的关系. 通常所说的精讲多练，讲练结合是个重要的方法. 所谓讲，是教师引导学生，发现问题，思考问题，教给学生新知识，这要重点突出，狠抓关键；所谓练，是学生在教师指导下，通过自己的活动，如实验、作习题等巩固、活化、应用所学的知识. 在“ 多练”的过程中要防止单纯追求作题数量，选配习题的目的性要明确，要有利于启发学生的积极思维. 例如，在电学中，取两个功率为40W,额定电压为110V的相同灯泡，串联在外加电压为220V的电路上，如图3—11所示. 让学生回答I、II两灯是否能正常发光？四只灯泡同为40W/110V, W I 3—12和图3—13的方式， 接在220V的电路中， 让学生讨论:它们能否正常发光？并比较两个线路哪个好？图 3-11通过讨论，学生明确：在图3 —1 2 所示的线路中，如果灯I 突然损坏，灯I I 不能发光，I I I 、I V 能正常发光；在图3 —1 3 所示的线路中，如果灯I 损坏，灯n i 也要损坏， 灯n、w 不能发光. 可见，图3 —1 2 所示电路较好.又如，在讲授杠杆平衡原理和机械功原理时，通常有“ 定滑轮不省力、只改变力的方向；动滑轮可省力一半”的结论. 为了让学生深入了解，在各种不同的连接情况下，这个结论不一定正确，可以进行下列练习. 用一个由两个定滑轮和两个动滑轮组成的滑轮组装置，提升4 0 0 N 的重物，如果按图3 —1 4 (a )绕绳， 拉力为1 0 0 N ,符合上述结论. 但如果按图3 —1 4 (b )绕绳， 则拉力为8 0 N . 让学生来思考这种变化的原因.再如，按图3 —1 5 (a )和 (b )的情况，人要想把自己匀速拉高，需要多大的力？启发学生用高一的力学办法，或者用初中学过的机械功原理分析它，也是很有意义的.(a)图 3-15(b)总之，启发式的课堂教学要求教师不要把主导作用理解为“ 一言堂”，要充分调动学生的积极、主动性，通过观察、思维和运用，动手动脑，亲自实践来获取知识和提高能力.第四章物理实验教学物理实验是有目的、有计划地运用仪器、设备，在人为控制条件下，使物理现象反复再现，从而进行认真观测，获取大量资料的一种科学研究方法. 实验的主要特点有二：一是可控性；二是可重复性. 实验是物理学发生和发展的科学基础，是检验物理理论的唯i标准.中学物理教学，必须以实验为基础. 在课堂教学中要多做演示实验，多安排学生实验，并适当布置一些课外小实验. 教师要给学生创设良好的实验环境,让学生有目的地进行观察、测量，获取知识，发展能力，养成善于观察、勤于动手的习惯.§ 1演示实验为了揭示所研究问题的发生、发展，为了引导学生进行观察、思考，由教师做给学生看的示范实验，叫做演示实验. 演示实验的目的是令学生观察，使学生对某个物理现象有清晰的了解，这是教师讲解物理概念、规律的基础，是培养学生建立物理思想的重要手段，同时为学生使用、操作仪器作出了示范.演示实验一般应遵循如下规定：①仪器简单，显示现象明晰、易见，能充分说明问题，以便于学生观察. 例如，在电学中，如果需要观察某一物理过程中的电流变化，显然不能采用高档小型安培计，而宜于采用立式长指针、高灵敏度的电流指示计；如果让学生观察的现象只是在水平方向显示的，最好使用投影仪，把现象投射在竖直的屏幕上.②演示实验的过程和结果，必须符合教学原理. 其中特别要注意的是科学性原则. 例如，演示光电效应现象时，一般使用如图4一1所示的实验装置. 1为静电计，2 为锌板，3 为电弧. 当用电弧照射锌板时，由于锌板被打出电子，从而它带正电，因此静电计也带正电，其指针偏转. 然而，这个实验效果不明显，不易成功. 于是，有的教师在实验时，先给锌板带上负电，使静电计指针偏转一个角度，然后，再用电弧照射锌板，得到静电指针偏转的角度变小，以此来说明“ 金属在光线照射下会失去电子”. 虽然这样改变后的实验很容易成功，但它不能充分说明这是光电效应的结果. 因为在电弧照射下，空气可以被电离，又由于锌板已带有负电，其周围已存在电场，这样，空气电离后的正离子在电场力作用下便向锌板上迁移，当空气正离子与锌板上的部分负电中和时,可使静电计指针偏转的角度变小. 因此，利用上述装置先给锌板带上负电的方法是不妥的，若用它来说明空气可以被电离的现象倒是可取的. 正确的演示必须事先不给锌板带负电. 为了保证演示效果，可采用演示用的X射线管代替电弧作为射线源，射线管靠近锌板照射，则静电计指针可张开一定的角度.③指导学生进行观察和思考. 演示实验固然主要由教师操作，但对于观察到的现象，分析所说明的问题，以至引出规律性的认识，应尽可能由学生进行,要学生通过思考，使其对实验现象印象深刻，对导出结论的思路清楚，提高学生的观察、分析能力.例如，上面所讲的光电效应实验，学生观察到X射线照射锌板时静电计指针偏转，说明锌板和静电计已带电，可提问学生：静电计带的是正电还是负电？如何进行检验？学生自然会想到利用一个带正电或负电的物体靠近静电计，视其指针张角变化的情况便可以知道它带电的正、负，并从而得出光电效应的结论.总之，教师在进行演示之前，必须首先给学生明确演示的目的，介绍使用的仪器和作用；在演示过程中，要集中学生的注意力于主要的观察目标上，告诉学生观察什么，怎样观察；如果需要定量表示，则要说明如何测量，如何读数，怎样作数据处理. 自始至终地贯彻引导学生了解现象，发现问题，取得数据，思考问题，总结出结论.下面，我们通过儿个实例，进一步说明演示实验的主要功用.( 1 )建立和解释概念.对于学生缺乏感性知识、抽象性很强的概念教学，必须通过演示实验给学生以感性资料.例如，电学中的等势点、等势线、等势面的概念，在一般书中对这个问题只作一些简单的叙述： “ 电场中电势相同的各点构成的面叫做等势面”， “ 等势面一定跟电力线垂直，即跟电场方向垂直”. 这种抽象的叙述，由于学生没有这方面的感性知识，所以是不易接受的. 为了让学生能够理解，可进行如下的演示实验.演示仪器主要是由一个有机玻璃作的水槽、信号源和低频功率放大器三部分组成. 水 槽内的现象可通过投影仪投射到屏幕上. 在槽内放入适量的水，水中放两个祛码作为电偶极子，给两个祛码加上频率为1 0 0 0 H z （ 或 4 0 0 H z 等）的交流信号，于是，在两个电偶极子间形成了电场. 这时，我们从低频功率放大器的两个输入端接出两个探针在水中移动，让学生注意观察，并收听声 音 . 当探针在很多位置时，我们都可以听到一个被放大了的低频信号，而在某些确定的位置上，听不到声响（ 即放大器不发出声响）. 教师引导学生分析这个现象,运用已有的知识知道，当没有声响时，说明两个探针给放大器输入了一个零信号，两个探针所在点的电势相等；而在其它位置，由于电势不等，所以有电信号输入给放大器，从而可以听到被放大了的低频信号声响. 如果使一个探针的位置固定，用另一个探针分别把一些小螺母逐个向各等势点移动，就出现了由这些小螺母（ 各等势点）连成的等势线，如图4 —2 所示. 在竖直方向上由等势线构成的面就是等势面. 如果在这套装置里配好电力线的幻灯片， 我们就可以直观地看到等势面和电力线是正交的.再如，纯电容交流电路和纯电感交流电路中，电压和电流的相位关系，学生在日常生活中是根本看不到的，不进行演示实验就难以理解清楚. 可用如图4-3所示的装置进行演示. 图中A 和 V 分别是演示用的长指针交流电流表和交流电压表，电容器的电容为2 0 0 0 口 F . 以超低频交流信号发生器作为交流电源，把它接入电路后，两个电表的指针就摆动起来，电流表的指示表示电路中的电流,电压表的指示表示电容器两端的电压. 令学生仔细地观察两个电表指针摆动的情况，发现：电流表的指针指在左边最大值时，电压表的指针指在平衡位置的零点；电流表的指针回到零点时，电压表的指针指在左边的最大值；电流表的指针指到右边最大值时，电压表的指针回到零点；……这就说明了在纯电容交流电路中，电流的相位超前电压的相位9 0 ° .然后，把一个2 2 0 V 、1 0 0 W 的变压器的输入线圈代替电容，构成一个纯电感交流电路. 观察电流和电压的相位关系. 这时可以看到，电压表指针先摆到最大值，电流表指针随后才到达最大值，说明在纯电感交流电路中，电流的相位落后于电压的相位9 0 ° .这样，通过观察演示的现象，很容易理解交流电路中的相位关系，为今后学习功率因数和电工学有关问题打下了良好基础.（ 2 ）建立和验证规律.物理规律或者是通过实验事实建立起来的，或者是由已知的知识推导出来的，这也还需要通过实验加以验证.例如，在电流产生的磁场中，磁感应强度的规律，是通过综合实验事实而建立的. 实验装置包括一个长8 0c m 、宽2 5 c m 的单匝大线圈和一个检验磁针. 线圈中串联一个电源、滑动变阻器和一个电流表，为了便于观察，可以选用测量地倾角的大磁针，作为检验磁针. 把线圈远离磁针的一边屏蔽住，未屏蔽的一边作为产生磁场的直线电流，如图4 —4 所示.图4-4第一次，固定测试点（ 即磁针中心）与导线的距离，借助于滑动变阻器来改变通过导线的电流. 当导线中没有电流通过时，其周围没有磁场. 这时，把检验磁针调节到零点. 当导线中有电流通过时，其周围产生磁场，根据右手螺旋定则可确定磁场方向，载流导线附近的检验磁针将偏离零点. 当电流改变时,磁针偏转角就发生改变，这说明该点的磁感应强度在改变.把磁针中心与导线的距离r 定 为 11c m ,先调整电流强度等于0. 2 A ,观察到磁针偏转角。

的数值，然后，把电流增强到0. 5 A 、0. 7 A ,磁针偏转角0 也随之增大. 记录测量结果，如下表所示：I ( A )0 ( ° )t a n 00. 280. 140. 52 00. 3 60. 72 60. 4 9从表中数据可以看出：当测试点（ 磁针中心）与导线距离r固定时，磁针偏转角0 随着电流强度I 的增大而变大；各次测量结果的相应比值，都近似相等,即Il卷 = ° 效Bi B jta n B ] 0,14B2 Be 'tan 9 2 0.36L 0.2E"Bi _ B j tan 8 i _ 0.14B7 - Be . tan 8 3 - 049L 0.5，记 二 ° ”B2 Bq , tan 8 2 0.360.38;0.29;B3 Be 'tan 9 3 0.49=0.73.从而得知；当尸恒量时，磁感应强度的大小跟电流强度成正比，即B -I.第二次，导线中的电流强度固定为0 .8 A ,改变检验磁针中心与导线的距离r .先后取r等于8cm、10cm、11cm ,观察并记录磁针偏转角 值，如下表所示:r (cm)6 (° )tan 08350. 7010300. 5811280. 53从表中数据可以看出：当电流强度恒定时，磁针偏转角9随着r的增大而减小；各次测量结果的相应比值，都近似相等，即£1以2= 0.80,-B--2- = --B--e-- '- -ta--n-- -8- --2Bj Be■ tan 8 10.580700.83;8n = °7 3 ,B3 B e * t a n 0 3 0. 5 3B ] B e t a n 0 j 0. 7 0B ? B e • t a n 6 3 0. 5 3」 = -------- -= ----= 0. 9 1.B2 B e ' t a n 0 2 0. 5 8从而得知，当i =恒量时，磁感应强度的大小跟测试点与导线的距离成反比,B~ 一 .综合以上两次实验结果，得出直线电流磁场中磁感应强度大小的规律r又如，根据磁感应强度的定义£ = 2,可以导出磁场对电流的作用力大小为F = B I 1.可以利用电流天平仪器进行实验，验证上述关系式.整个装置如图4一5 ( a )所示，主要部分是一个等臂天平. 在天平的右侧,沿着横臂的边固定一条U形绝缘导线，这样，在天平的一端就有了一段短直导线，它的长度是1 .为了可以改变1的长度，在U形导线中间又加了一条导线;天平的另一端可以悬挂祛码或细金属丝等轻小物体，如图4 - 5 ( ( b )所示.第一步，使横臂导线1通有稳恒电流I ，并把它放入螺线管内部.当螺线管内部没有磁场时， 天平指针指在零点. 当螺线管通有电流为1 A时,螺线管内部的磁感应强度为B ,这时，可以看到天平指针向右偏转，说明横臂通电导线受到磁场的作用力F .为了使天平恢复平衡，需在天平的左端挂上一个2 0 m g的祛码，由于天平是等臂的，所以，所挂祛码的重量就等于磁场力的大小,也就是说，这时通电导线1所受的磁场力的大小相当于2 0 m g产生的重力. 当螺线管通有电流为2 A时，螺线管内部的磁感应强度增大1倍，即等于2 B .实验结果表明，这时必须在天平的左端挂上一个4 0 m g的祛码，才可使其恢复平衡. 也就是说，这时通电导线1所受的磁场力的大小相当于4 0 m g产生的重力.于是，验证了当导线1通有稳恒电流I时，其所受的磁场力F跟磁感应强度B成正比，即 当1、I恒定时，F〜B .第二步，使螺线管的电流恒定，即螺线管内部磁场恒定. 改变通过横臂导线1的电流强度I ,根据天平指针的偏转和所悬挂的恢复平衡的祛码的数据，可以验证通电导线1所受的磁场力F跟 导 线1通过的电流强度I成正比，即当B、1恒定时，F〜I .第三步，在上述任何一次实验基础上，改变横臂导线的长度，即 将1变为; ，则实验结果表明，为了恢复平衡所悬挂的祛码也减少一半. 于是，验证了当B、I 一定时，F〜1 .这样，就验证了通电直导线在磁场中所受的力，遵 从F = B 1 I的规律.由于这个实验，涉及到电流的磁场、右手螺旋定则、左手定则、磁场力、力矩的平衡等一系列物理知识，所以，对复习巩固、深化、活化知识，也是有益的.（ 3 ）启发学生积极思维.生动的演示会给学生以强烈的刺激，会引起他们浓厚的兴趣，也常常会带来学生想象不到的结果，这必然会引起学生积极思维.例如， 一个小小的塑料凹面盘， 按在墙壁上， 就成了一个挂衣钩（ 图4 - 6 ） ,可以承担不小的重量. 如果把两个这种衣钩严密地对起来压挤， 就成了一个“ 土 ”的马德堡半球. 这些都可以形象地说明大气压强的存在.图4-6再如，在一个大烧杯中放入多半杯水，再插入一个不接触杯底的的试管，管内也装入适量的水. 先让学生思考，当在烧杯底加热，使大烧杯里的水沸腾时，试管中的水是否沸腾？学生的回答可能各不相同. 这时，给学生演示， 结果表明大烧杯中的水沸腾了，而试管中的水虽然达到了 100℃,但并不沸腾. 这就使学生看到自己思维的效果，也看到自己思维的不足. 再启发学生用汽化热的知识来解释这个现象. 而且可以指出他们判断错误的原因是没有确切地掌握热传递的条件和沸腾的条件. 从而告诉学生，在任何判断推理过程中，论据一定要充足，推论一定要合理.有些演示实验，还可以生动地揭示物理知识的应用，即使在设备条件差的情况下， 教师也可以自制一些效果很好的演示装置，也可以利用现有的物品. 例如，取一盒装满粉笔的粉笔盒，将一个手指插入粉笔之间（ 图4 — 7）,向上抬手，就可以把整个粉笔盒“ 带”起来；如果用两盒装满粉笔的粉笔盒，各插入两根小木棍，再在它们上面横搭一块木板条，在板条上放一重物，在一定限度内，整个结构并不向下移动. 启发学生运用所学知识解释这些现象，并告诉学生，在桥梁建筑上的所谓摩擦桩就是这个原理.总之，演示实验的功用，不仅可以使学生了解物理现象，建立和验证物理概念、物理规律，而且还可以提高学生的学习兴趣，激发学生的思维，以达到深化、活化物理知识的目的.§ 2学生实验学生实验是学生在教师指导下独立操作的课堂教学过程. 教师应依据大纲要求，有计划、系统地训练学生的实验技能和良好习惯.学生实验的目的如下.①了解基本实验仪器的构造、原理，学会基本仪器使用.②探索和验证物理规律. 一方面为了多次练习基本仪器的使用；一方面为了探索物理知识，或验证物理规律、巩固、深化所学过的理论知识.③培养学生独立工作能力. 引导学生自己设计实验，选配仪器，组装或连接线路，进行简单的故障排除，数据处理和误差的简单分析.从以上的实验目的看，学生实验在训练学生技能和培养学生的能力方面，主要是指：操作能力；数据处理能力；实验设计能力.1 .操作能力操作能力，主要是指基本仪器的使用和数据的读出，仪器、设备的组装或连接，故障的排除等三个方面.( 1 )基本仪器的使用.中学物理实验涉及的基本测量仪器有：米尺、卡尺、螺旋测微器、天平、停表、弹簧秤、温度计、气压计、电流表、电压表、变阻箱、万用表、示波器.使用基本测量仪器的规范要求是：①了解测量仪器的使用方法，明确测量范围允许极限和精密程度；②对某些仪器如电表等，在使用前，必须调节零点，或记下零点误差；③牢记使用规则和操作程序；④正确读取，记录数据.例如，弹簧秤的正确使用要求是：明确弹簧秤的测量范围；测量前，记下零点误差；使用弹簧秤口 寸 ，施力的方向应与弹簧的轴线在同一直线上，不能使弹簧秤受力过久，以免引起弹性疲劳，损坏仪器；正确地观察读数、记取数据时，不仅要记录最小刻度能指示出来的数，还应读出一位估计数字，数据后面要写明单位.又如，电流表的正确使用要求是：明确量程；使用前，调节零点；正确连接是应与待测电路串联，并注意正、负极性；正确读取数据，注明单位.( 2 )仪器、设备的组装或连接.要进行一个物理实验，总是需要先把各个仪器、部件、设备组装起来，并要求装配和连接必须正确无误. 具体要求是：布局要合理，要便于观察和操作;连接要正确、简单；实验前要检查，必要时进行预备性调节.例如，电路实验，操作要求是：①按照实验原理电路图，安排好仪器、元件的布局，要便于连线，便于检查，便于操作，便于读取数据.②正确地连接电路. 电流表、电压表是否分别与待测电路串联、并联，正、负极性是否正确；滑线变阻器的接线是否合理；连接线路是否符合先支路、再并列、后干路、最后接电源的程序；开关是否能控制电路；接线是否简捷、牢固 .③实验前应先检查电路，发现问题及时纠正，并进行预备性调节.④严格按操作程序操作，例如改变电阻器的阻值，是否由小到大，或由大到小，最后，正确读取数据.又如，测量物体密度的实验时，操作要求是：①对天平进行预备性调整，将天平水平放置，用镜子将游码拨到零线上，如图4 —8 所示.②在测量物体质量时，操作不仅要注意程序，而且要注意动作的规范( 图4- 9 ( a ) ),切忌随意性的动作，图4 —9 ( b ) 、 ( c ) 属于操作不规范.③读量筒刻度时，应使观察视线与液体表面垂直，正确读出液面高度. 如图4 一1 0 中 的 ( b ) 、 ( c ) 的读数为6 8 m l 和 7 0 m l 都是错误的，正确的读数应为 6 9 m l .( 3 ) 故障的排除.图4-8实验中的故障排除，不单是一种操作能力，它涉及对实验原理的掌握程度、分析问题处理问题的方法、对各部件工作情况的了解等，是一种综合运用能力.实验发生故障时，应根据各部件工作状态及各部件联结处的分析，可能产生故障的几种因素，逐个检查, 以致最后排除故障.(c)总之，培养实验操作能力，是学习物理的必要基础，它有利于对知识的理解，有利于自己创造条件探索问题，有利于学生智力的发展.在物理教学中，培养学生的操作能力，应有计划地、分阶段地进行：第一，操作的认知阶段. 要求学生对操作技能有初步的认识，在头脑中形成操作的映象，要求按规定的程序，做一些目的单纯的定向训练；第二，操作的协调阶段. 要求学生反复练习操作，提高操作的准确性、协调性.2 .数据处理能力为了得到正确的实验结果，必须具有一定的数据处理能力. 在中学阶段，处理实验数据的主要方法是图像法，即根据所取得的实验数据，描绘出图线，它能够直观地显示出两个变量（ 自变量和因变量）在一定范围内的关系，总结出一般规律；同时，也可以由实验图线求出未知量.图像法的具体要求是：（ 1）建立坐标系.在中学物理教学中，主要采用直角坐标系作图. 用水平轴表示自变量，竖直轴表示因变量. 坐标原点可以从零值开始，也可以从某一定值开始，坐标比例应适当.（ 2）描绘实验数据点，连成图线.在坐标系中标出实验数据（ 测量值或计算值）.实验数据点用“ • ”或 “义”表示；根据这些实验数据点描成平滑的曲线. 这里应当指出，数据点并不一定都在曲线上，有的数据点分居于曲线的两侧.再如，在研究一定质量的气体（ 空气）的等温变化过程中，所取得的压强与体积的数量关系的数据，如下表所示：V (L)65. 13.93. 12.421p (X105Pa)11.21.522. 536用直角坐标系的横轴表示体积，纵轴表示压强. 按上表中的数据在坐标系中标出各对应点，由这些点可描成一条光滑曲线，如 图4—11所示.图4T1图 4-12( 3 ) 探讨问题.根据所得曲线，可以估出两个变量的函数关系，从而估计出两个变量之间的 般 规 律 ；或根据实验曲线求出未知量.一般情况下，实验所测得的数据是限制在某一范围内的，自然，在这一范围内可以从图上得到各个对应的量值；对于这一范围之外的两个变量之间的对应值，可用外推法求得，即把实验曲线延长，求得两个变量的对应值.例如，按图4 一1 2 所示电路进行实验，S 合上后，多次调节可变电阻R , 得到一系列I 和U的对应值.建立坐标系，将实验数据在坐标系中描点，将连成平滑曲线，如图4 —1 3中的直线a b .为了求得电源电动势的数值， 可将直线a b 向a 端外延长， 交纵轴于c 点 因为断路时1 = 0 , 电源两端的电压值等于电源电动势的数值，即口= £ .为了求得电源的内阻值，可将直线a b 向b 端外延长，交横轴于d 点，设Nc d 。

用 表示. 因为d 点表示电压U = 0 , 属于短路的情况，L 值即为短路电流；短路时电源电动势£ 、电源内阻r 和短路电流L的关系为£ 5r = — = = tand.I 4即 角9的正切值等于电源的内阻值.3 .实验设计能力物理实验教学，不仅要求学生会正确地使用基本仪器进行观察、测量和读取数据，掌握一定的操作技能，会简单地处理实验数据，得出结论，而且还应当培养学生根据确定的目的、任务， 自己独立地设计实验方案的本领，即培养学生实验设计能力.例如，实验的任务是测定某一给定的电阻. 由学生自己提出方案，设计实验电路，画出电路图. 操作部分要求学生正确地解决以下几个问题：怎样选配仪器；怎样布局，即如何摆放仪器，才便于操作和观察；如果电路中有可动部分，例如变阻器，还应考虑在电源接通前，动片的最初位置应放在什么地方；怎样连接最节约导线；怎样操作；怎样读取数据等. 总之，要解决怎样放、看、读、记、算等问题.对于学生实验，一定要加强指导. 每次实验除上述操作要求之外，还应写实验报告，包括自己设计表格，记录所取得的数据，数据处理，得出结论，并进行简单的误差分析和必要的讨论.在实验设备和条件较差的学校，教师可以自己制作，或引导学生自己设计、制作简易的实验装置.例如，用惠斯通电桥测量电阻.首先，让学生明确用这种测量方法比用伏安法测得的电阻值要精确得多.然后，让学生自己制作一个“ 土 ”电桥，按实验要求连成如图4一14所示的线路. 该电桥用一个80cm的长直尺，尺面上附一根电阻丝AC, A端接一个标准 电 阻 （ 电阻箱或滑动电阻器），C端接一个变压器的原线圈，线圈的另一端与标准电阻另一端连接于B,滩B点连接检流计的一端， 检流计的另一端接到“ 土”电桥滑动端（ 触点）D上，该滑动头是用一个弹簧反装的文具夹制成的，在夹嘴处焊一个指针，当把文具夹夹在滑线电桥上时，指针紧压住电阻丝.图 4-14接好实验装置后，告诉学生要测量的是变压器原线圈的直流电阻. 实验方法是接通电路后，观察检流计，通过调整标准电阻或移动滑线电桥触点，使检流计指针到达平衡位置. 这时，让学生记录下标准电阻R值和滑线电桥触点两边电阻丝的长度L和L.最后，让学生根据课堂上讲的电桥原理，计算待测电阻值，根据公式R. = .工_ 耳，得到Rx = R 标匚这样的学生实验，既巩固了课堂上所学得的知识，又增强了学生的动手能力和实验技能.§ 3课外实验课外实验是物理课堂实验教学的延伸和补充. 主要是学生在教师的安排下,依据一定的教学目的、任务和要求，学生利用课外时间，通过一些简单的器材或自制仪器独立完成的一种教学实验. 学生的课外实验可以扩大知识领域，使理论联系实际，培养学生对物理和技术的学习兴趣和独立工作能力.当然，课外实验的内容一般应与教学内容相联系，但可不受教学大纲的限制. 有些实验，如观察蒸发现象以及液体的扩散现象，需持续较长一段时间；还有些实验，如观察天空现象、渠道的水流速度等，只能在课余，在课外进行,这些都是课外实验的题材.课外实验能否引起学生的兴趣并认真去完成，关键在于选择实验内容和组织安排. 同时，在布置课外实验时，也应要求学生写出观察和实验报告，以培养学生严肃认真的科学态度.课外实验不仅形式灵活、方法简单，在培养学生的实验设计能力方面有独特功能.例如，结合课堂讲的物体平衡，让学生课外作一副杆秤，定出“ 准星”，标好刻度，并进行校准.又如，课堂上讲了单摆的内容后，让学生自己做一个单摆，验证单摆周期公式.—j —® -—X —图 4-15再如，结合简单的直流电路知识，用一个4 V电源，一个电 位 器 （ 可变电阻器 ），两 只“ 3 . 8 V , 0 . 3 A ”的灯泡，设计一个控制电路，使一只灯泡逐渐变亮,另一只灯泡逐渐变暗. 如果设计出儿种方案，如 图4 —1 5、4 - 1 6 . 4 —1 7所示,还可以组织学生进行讨论，选择一种最佳方案，并用实验验证.此外，用各种方法测定物质的密度，两物体之间的摩擦因数，导线的电阻,研究小孔成像，测放大镜的焦距，设计一个实验电路研究电源端电压跟外电阻的关系，设计一个能在楼上、楼下都能开、关电灯的电路，以及学生自己命题,自己设计实验方案，等等，都可以作为课外实验的内容.总之，教师在教学中，应当引导学生多做实验，做好实验，通过各种途径,培养学生观察和实验能力.第五章物理概念教学概念是反映客观事物本质属性的一种抽象. 某一物理概念，就是某一类物理事物、现象的本质属性在人的头脑中的反映，它是在大量观察、实验，获得感觉、知觉，形成观念的基础上，通过分析、比较、综合、归纳、想象，区别出个别与一般、现象与本质，把一些事物的本质的、共同的特征集中起来加以概括而建立的. i切概念都要通过词语来表现，定义是对概念内涵（ 物理含义）的揭示，条件是对概念外延（ 适用范围）的限制.任何一门学科，物理学也不例外，如果没有一些概念作为分析、综合、判断、推理等逻辑思维的出发点，就不可能揭示这门学科的全部内容，也就失去这门学科存在的价值. 因此，概念教学是极为重要的.§ 1物理概念的特点物理概念具有以下儿个特点.1 .物理概念是观察、实验与科学思维的产物物理学的特点决定了物理概念是在观察、实验基础上，运用科学思维的方法，排除片面的、偶然的、非本质的联系，抓住一类物理现象共同的本质的属性，并加以抽象和概括而形成的. 在物理概念的形成过程中，感觉、知觉、表象是基础，科学思维是关键.例如，我们观察到下列一些现象：天体在运行，车辆在前进，机器在工作,人在行走，等等. 尽管这些现象的具体形象不同，但是我们可撇开它的具体形象，从它们的共性去考察时，就会发现其共同的特征，即一个物体相对于另一个物体的位置随时间在改变. 于是，我们把这个从一系列具体现象中抽出来，又反映着这一系列现象本质特征的抽象，叫做机械运动. 机械运动就是一个物理概念.又如，动量的概念，最初是人们在探寻守恒不变量的过程中建立的. 笛卡尔做了许多种碰撞实验，质量相同或不相同的两个物体，速度大小相等或不相等，相向运动或一个追一个地运动等各种情况的碰撞实验，取得碰前、碰后的大量数据，通过分析、综合，发现质量与速度的乘积是一个恒定不变的量，即碰撞过程中，相互碰撞的两个物体的运动量是恒定不变的，从而建立了描写物体运动量大小的物理量 动量概念.再如，嫡的概念的建立（ 目前，我国普通中学不讲这方面内容，中师物理课本涉及到这方面常识）. 众 所 周 知 ，一切热力学过程，都必须满足包括热现象在内的能量守恒和转换定律. 然而，满足能量守恒和转换定律的过程，是不是准能实现呢？根据大量的观察实际现象可知：在热传导方面，热自动地从低温物体传向高温物体的过程，是不可能实现的；在扩散现象中，气体分子自动地从密度小的地方迁移到密度大的地方，也是不可能实现的；在液体流动现象中，水自动地从低水位流向高水位，是不可能的；在电荷运动现象中，原来静止的正电荷自动地从低电势的地方向高电势的地方运动，也是不可能的.以上现象虽然也满足能量守恒和转换定律，但它们是不可能实现的. 这就是说，自然界中的自发过程，是有方向性的，也是有一定限度的. 判断不同自发过程的方向和限度的标准，也是不同的：判断热传导自发过程方向和限度的标准是温度；判断扩散自发过程的方向和限度的标准是密度；判断水流自发过程的方向和限度的标准是水位；判断电荷自发运动的方向和限度的标准是电势;等 等 . 于 是 ，人们自然会想到：能不能找到一个判断自发过程方向和限度的共同标准呢？问题就是这样提出来的. 根据大量的观察、实验事实，通过分析、概括以及数学推理等科学思维，建立了嫡的概念.总之，任何一个物理概念，都是观察、实验与科学思维相结合的产物.2 .物理概念具有量的含义，可以用数学和测量联系起来许多物理概念是定量反映客观事物本质属性的. 如速度、加速度、电场强度、电流……，这种物理概念就是所谓的物理量.然而，也有许多物理概念，表面看来是定性地反映客观事物本质属性的，实际上，它们也有量的含义. 例如， “ 机械运动”概念，它表示物体在空间的位置随时间的变动，这里就涉及位置与时间的函数关系， 自然，它具有定量的含 义 . 物 质 ( 质 点 ) 做 直 线 运 动 ，建立一维坐标系，则得x = f ( t) .物 体 ( 质 点 ) 做 平 面 运 动 ，可建立直角坐标系，则得x = f ( t) , y = f ( t) .又如， “ 平衡”概念，其定量含义是：如果研究对象是质点，则意味着质点的加速度等于零，即a = 0 .从而其平衡的条件为合外力等于零，即S F = O .如果研究对象是有固定转动轴的物体，则它表示该物体的角加速度等于零,即B = 0 ,从而其合外力矩等于零，即S M = O .再如， “ 熔化”概念，反映物质从固态向液态的转变过程，似乎没有定量的含义. 实际上，物质在一定压强下的熔化过程，具 有 确 定 的 温 度 ( 熔 点 ) ，转变前后物质的体积、能量有突变. 在一定的压强下，测量其熔点、熔化热、体积的变化，可以辨认出不同的物质. 所以，熔化这个概念，也具有定量的含义.正是由于物理概念具有定量的特点，所以，学习物理学，就必然离不开数学和实验测量.3 .物理概念中的物理量，还具有各自的特征按照不同的分类方法，可以反映出物理量各自的多种特征.( 1 ) 物理量按描述对象的功能可分为：①状态量. 这是描写状态的物理量. 研究对象的状态一定，它就有确定的量值. 如速度、坐标，是从运动学角度描写物体状态的物理量；动量、能量( 动能、势能) 是从动力学角度描写物体状态的物理量；压强、温度、体积是描写气体状态的参量，也是状态量.②过程量. 这是描写过程的物理量. 力学中位移、功，热学中热量，等等,都是过程量. 一般说来，不同的过程，具有不同的量值.③特性量. 这是描写物理对象某种属性的物理量. 如密度、电阻、电容、折射率等.( 2 ) 物理量按能否参与叠加运算，可分为：①可加量，又称为广延量. 这是可参加叠加运算的物理量. 可加量按叠加运算的形式又可分为：a . 可参与儿何加法运算的物理量. 这是具有矢量性质的物理量，如力、速度、动量、电场，等等. 它们的叠加遵循平行四边形定则.b . 可参与代数加法运算的物理量. 这是具有标量性质的物理量，如电势、功、热量等.c . 可参与算术加法运算的物理量. 这是具有算术量性质的物理量， 如路程、速率、质量等.②不可加量，也称强度量. 不可加量在很多物理情境下是不可叠加的. 如一密闭的容器内，左半部空气压强为一定的大气压，右半部空气压强也为这个一定的大气压，那么整体的空气的大气压强并不等于两半部分空气压强的叠加值，而仍为这个一定的大气压. 同理， 在这种情境下温度值也是不可叠加的. 可见，压强、温度是不可加量.那么，可加量与不可加量取决于什么条件呢？通过仔细分析不难发现，凡是与物体质量有关的物理量都是可加量，与物体质量无关的物理量都是不可加里 .( 3 ) 物理量按描写对象与参照物的关系，可分为：①相对量. 凡与参照物的选择有关的物理量，都是相对量. 如位移、速度、动量、动能、势能、功、电场、磁感应强度等，都是具有相对性特征的物理量.②绝对量. 凡与参照系的选择无关的物理量，都是绝对量，如各种普适恒层里 .( 4 ) 物理量按国际单位制又可分为:①基本物理量. 它是经过科学地规定而确定的反映物质本质属性或状态的定量概念. 基本量不是用其它物理量来定义的，它的数目，应该是能融洽一致地和明确地描述物理学中所有各量所必需的最小数目. 目前，国际单位制中采用的基本物理量有七个，即长度、质量、时间、电流、热力学温度、发光强度和物质的量. 它们的计量单位分别是米、千克、秒、安培、开尔文、坎德拉和摩尔.②导出物理量. 它是以基本物理量为基础，按照某种定义或根据有关公式推导出来的物理量，因此，一切导出量都可以用基本物理量的组合方式来表达. 如力学中，所有的物理量都可以用长度、 质量和时间这三个基本量导出. 在电学中，再加上电流这一基本量，就可以导出所有的电学物理量.§ 2 掌握基本物理概念的过程在众多的物理概念中，有一些概念是基本概念，这是指物理学中最基础、最核心的概念. 它们在物理学发展过程中贡献最大，它们反复出现在许多定律中，并经常运用，而且最有生命力. 例如，长度、时间、质量，以及速度、加速度、力、能量、电子、电场强度、电势、电流、电阻、电压、磁感应强度，等等.对于基本物理概念，必须要求学生掌握.掌握基本概念的过程，包括感知、理解、运用这三个相互联系的阶段.1 . 感知感知是感觉和知觉的总称. 感觉是人脑对于直接作用于感觉器官的客观事物的个别属性的反映；知觉是把头脑中各种感觉按事物的联系和关系，综合成为一个较为完整的映象，是人脑对直接作用于感觉器官的事物整体的反映.然而，感觉和知觉所反映的仅仅是事物的表面特征和外部联系，都属于感性认识阶段.感知的方式有两种：直接感知和间接感知.直接感知是通过观察、实验、参观、生产劳动等活动，让学生直接接触学习对象，对有关事物和现象有一个明晰的印象，形成观念.间接感知是通过教师形象化的语言描绘，或利用各种形象化的直观教具，使学生对有关事物和现象有一个明晰的印象，形成观念.在物理教学实践中，两种感知方式应当相互配合使用，互为补充，使学生获得大量的感性材料，形成表象、观念.2 .理解理解是对事务的本质属性和内在联系的认识过程. 它是指在大量感知的基础上，通过分析、比较、综合、概括、想象等思维活动，对事物的认识不断深化，能够突出事物的重要的、本质的特征，能够区分相似的事物，能够比较确切地得出概括性的结论. 这属于抽象思维阶段.3 .运用运用是由认识到行动的过程. 是将抽象知识具体化的一个重要手段，也是加深理解知识的有效途径.运用一般分为两个阶段：一是初步运用阶段，主要是培养学生运用概念的方法和准确性；二是熟练运用阶段，主要是培养学生运用概念的速率和效率，同时，也达到巩固、深化、活化概念的作用.综上所述，学生掌握概念的过程，可概括为如下表所示：认识阶级知识掌握能力发展感知阶段表象、观念观察、实验能力理解阶段科学概念思维能力运用阶段巩固、深化、活化概念分析问题解决问题能力应当指出：以上三个阶段之间的联系是非常密切的，是相互依存、相互作用的.学生掌握概念的标准，主要表现在如下三个方面：一是看学生是否明确概念是从哪些客观事物中抽象出来的；二是看学生是否明确概念反映了事物的什么本质属性和联系，物理含义是什么，适用的范围如何；三是看学生是否能运用概念说明、解释一些有关的物理现象，以致解决一些有关的简单物理问题.§ 3物理概念教学物理概念的教学，主要是根据物理概念的特点，学生掌握知识的认识过程来 确 定 . 一般的程序是：首先， 物理教师应当创造条件， 使学生在有关物理事物、 现象中“ 漫游”. 列举大量的事实，唤起学生已有的感性知识；或进行实验；或组织有关实践活动,使学生从实验观察中获得一些感性知识. 其目的是使学生对有待研究的事物有一个明晰的印象. 在这过程中，教师要着重引导学生善于观察，达到了解现象、取得资料、发掘问题和勤于思考的目的.其次，在上述基础上，引导学生进行比较、分析、综合、概括，排除次要因素，抓住主要因素，找出所观察到的一系列现象的共性、本质属性，形成概念，用准确的、简洁的物理语言或数学语言给出确切的表述或定义；并指出所定义的概念的适用条件和范围.最后，通过与有关、相近概念的对比，以及进行适当的练习运用，来巩固、深化对概念的理解.以上的程序，虽然不是绝对的和死板的，但其中的原则和精神是必须遵循的.至于教学过程中，采取怎样的教学模式、方法和方式，选取哪些具体事例，则应由物理教师根据学生的具体情况、学校的不同条件等自行确定.例如，力 学 中 “ 功”的概念的教学，实际上有许多种不同的教学方案：方 案I :首先，列举大量的机械工作的实例. 由于学生对此有丰富的感性知识，我们无须通过实验，往往用生动的板画便可以唤起学生已有的感性知识，例如，用一根直杆( 杠杆) 撬起石头，起重机吊起重物，汽车牵引拖车前进等，如 图5—1所示. 使学生对机械在工作有个初步的印象.图5-1进而引导学生分析并归纳出机械工作的共性：直杆给石头一个力，且使石头移动；起重机的绳子给重物一个拉力，使重物升高；汽车给拖车一个牵引力，使拖车前进. 尽管各种机械的构造不同，工作对象也不同，但它们工作时具有共同性：第一机械给工作对象施以力的作用；第二机械使工作对象沿力的方向发生了位移. 可见，力和沿力方向的位移是机械工作所不可缺少的两个因素. 从而总结概括出：当物体在外力的作用下，沿着力的方向移动了一段位移时，我们就说力对物体做了机械功，简称为功. 并定义为： “ 功等于物体所受的外力和物体在力的方向上位移的乘积”. 用数学公式表示为W = F • s ( J ) .功的单位是焦. 功有大小，没有方向，因而是标量.在这个初步概念的基础上，我们可以进一步把物理学上的“ 功 ”和通常所说 的 “ 工作”加 以 对 比 . 什 么 叫 “ 工作”呢？它的含义是：花费了一定的时间,消耗了一定的精力，取 得了 一 些 （ 成功的）经 验 或 （ 失败的）教训. 从其效果来看，任何工作都改变了客观事物存在的状态，包括各种运动形式，如机械运动、电磁运动、生物运动以至思维运动等形式，而物理学上的“ 功”，仅仅涉及机械运动形式，所 以 “ 功”的含义比“ 工作”的含义要狭窄得多. 但其效果仍然是改变状态，因此，功是物体状态变化的 利量度.随着学生知识范围的扩展和数学能力的增强，在高中阶段便可进一步说明,力施于一个物体，使物体产生位移，并不一定要求外力的方向和位移的方向完全一致，例如，一个与水平方向成o角的力F施加在一个物体上，使其发生位移s ,如图5 —2所示. 则该力对物体做功的大小图5-2W =F , scos 0 .进而说明，上式包括了力做功的各种情况：① 当 。

0 °时，即力的方向跟物体运动的方向一致时，cos 0 = 1 ,则W=F - s.这是最简单的情况，W > 0,说明力对物体做了正功；② 当0V 0V 9O °时，O V cosO V l,仍得W > 0,同样是力对物体做了正功；③ 当 时， 即力的方向跟位移方向垂直时， 由于cos900,所 以3 0 ,说明力对物体不做功；④ 当90° V0W 180时，由于TW cosO V O ,所W V0,说明力对物体的运动起了阻碍作用，力对物体做了负功.功虽然有正、负之分，但这个正、负并不表示方向. 功是只有大小、没有方向的量，是一个标量.关于功的概念，还必须使学生明确：谈到功的时候，是哪个力对所研究的物体做功. 由于力是物体间的相互作用，所以，也可以说是哪个物体对所研究的物体做功. 如果所研究的物体受到二个、三个或更多的力作用时，应分别求出各个力对物体所做的功. 各个力对物体做功的代数和，叫做几个力对物体做的合功，合功用符号2 W 表示.例 1 起重机把质量m = 1 0 X 1 03kg 的钢材分别以匀速和匀加速(a = 2 m / s2)升高2 m . 试求在每种情况下起重机对钢材做了多少功.初学者往往认为钢材无论匀速上升，还是匀加速上升，位移都是2 m , 所以两种情况下做功相同. 实际上，起重机对钢材做功，是起重机的钢绳给钢材的拉力对钢材做功. 由于钢绳的拉力在两种情况下是不同的，从而做功不同. 正确的解答应当是：取钢材为研究对象，它共受两个力：竖直向下的重力m g ；起重机的钢绳对钢材竖直向上的拉力「①当钢材匀速上升2 m 时，由于钢材的加速度a = 0 , 根据牛顿第二定律得知T - m g = O ,即T = m g = 1 0 X 1 03X 9 . 8 = 9 . 8 X 1 0 ' (N ) ,所以，起重机对钢材做功等于W , = T • s= 1 9 . 6 X 1 01 (J ) .②当钢材匀加速上升2 m 时，由于a = 2 m / s。

，根据牛顿第二定律得知T - m g = m a ,即T = m g + m a = l l . 8 X 1 0 ' (N ) .所以，起重机对钢材做功等于W2= T • s= 2 3 . 6 X 1 0 ' (J ) .如果在这个问题中求每种情况下重力做功等于多少，则由于在两种情况下钢材所受的重力相同，位移也相同，所以重力做功相同. 由于重力的方向和位移的方向相反, 所以，重力做负功，即W = - 1 9 . 6 X 1 (T (J ) .例 2 一个人用力F 拉着重量G = 3 0 0 N 的物体，在水平面上匀速前进了1 0 0 m . 力 F的方向跟水平面的夹角为4 5 ° ,物体与水平面之间的摩擦因数口= 0 . 2 . 试求物体所受的几个力各做了多少功？合功等于多少？解答这个问题，首先必须求出物体所受的几个力的大小，然后，分别计算各个力做功的多少.取物体为研究对象，它共受四个力：重力G ；拉力F ；支持力N ；滑动摩擦力 f (f = uN ) ，如图5 — 3 所示.图5-3取水平向右(物体前进的方向) 为x 轴正方向，竖直向上为y 轴正方向. 因为物体是匀速前进，即a = 0 , 根据牛顿第二定律得S F , = F c o s4 5 0 - uN = OX F:= N + F sin 4 5 ° - G = 0将已知量G = 3 0 0 N , u = 0 . 2 代入上式，可得0 . 7 0 7 F = 0 . 2 N ,N + 0 . 7 0 7 F = 3 0 0 .由以上两式解得：F = 7 0 N ； N = 2 5 0 N , 从而得知f = 口 N = 5 0 N .因此，拉力F 对物体做功等于W , = F • sc o s4 5 ° = 5 0 0 0 (J ) .摩擦力f 对物体做功等于W2= f - sc o sl 8 0 ° = - 5 0 0 0 (J ) .由于N 和 G的方向与运动方向垂直，所以这两个力都不做功.各力对物体做的合功sw=w,+w2=o.以上的讨论，基本上是围绕着功这个概念的物理含义，量值的大小来进行的. 为了使学生更深入地理解功的概念，还必须使学生明确它的适用范围. 事实上，功的计算式W = F • s c o s (F , s )，只适用于恒力做功的情况.设在圆形轨道上有一个小车，今用一个大小不改变的切向力F推这个小车，由A点出发，沿半径为R的圆周轨道走了一圈又回到A点，如 图5 —4所 示 . 这个切向力F对物体做功等于多少呢？如果简单地带入功的计算式来计算，那么，由于位移s所表达的是初始位置到终止位置的有向线段，于 是s = 0 ,从 而W = 0 ,这个结果显然是错误的. 它错在没有注意到功的计算式的适用条件恒力做功. 恒力是大小和方向都不变的力，而此处的F为切向力，虽然大小不变，但力的方向随时在改变，因而不是恒力. 所以，不是恒力做功，而属于变力做功问题，不能直接应用恒力做功的公式来计算.如何计算变力做功呢？问题在于如何处理力的“ 变 ”与 “ 不变”和路径的“ 曲”与 “ 直”的矛盾. 解决的措施是：取小段， “ 变 ”按 “ 不变”算 ,“ 曲”按 “ 直”算. 把曲线看成为由无数多个无限小的直线段所组成，即把整个路径分成许许多多小段，每小段的位移近似地看作直线运动的位移. 同时，在每段小位移里可以把力近似地看作为恒定不变的. 这样，每一小段里力做的功，可按恒力做功的公式来计算. 把每小段里力做的功加起来，就是所要求的变力做功的数值.如 图5 —4所示的问题中，力F对物体所做的功应这样计算：把整个圆周分成 许 许 多 多 小 段A L , AL-,而Z A 1 = 2 " R .每一小段里力F做的功分别 为F A L , F A L , F A 1「・，于是，力F对物体做的功W = F A 1 , +F A 12+ F A L + -= F • 2 n R .至此，我们从大量的实例出发，形成了 “ 功”的概念，讨论了它的内涵和外延，并定量地研究了它的量值. 总之，物理学中的功是机械功的简称. 它表示物体在机械运动过程中，即在一段 位 移 （ 空间）里，不断地有力作用. 所以功是描写力对空间积累作用的物理 量 . 物体受力后，要改变其运动状态. 当然，不断受力就不断改变其运动状态，因此，功是物体运动状态变化的一种量度.方案n：基本程序与方案I相同，但选取的具体实例不同.首先做一个实验. 把一端有固定转轴0的细杆，从位置I ( O A B C ) 极其缓慢地变动到位置H ( O A ' B ' C'),如 图 5 — 5 所示.如果施力点在A,向上缓慢地拉细杆来完成上述任务，通过测量得知：力的大小为耳，受力点移动的距离为兀广；如果施力点在B,向上缓慢地拉细杆来完成上述任务，通过测量得知：力的大小为F 2 , 受力点移动的距离为国-;如果施力点在C,向上缓慢地拉细杆来完成上述任务，通过测量得知：力的大小为F 3 , 受力点移动的距离为&"二分析上述实验所取得的数据，可以发现：完成同一任务，虽然用力的大小不同，受力点沿力的方向移动的距离也不同，但是它们的乘积是相同的，即4• AA，= F2 • B B ' = F3 • C Cy .实验结果表明：完成这一工作，不能单纯用力来描述，也不能单纯用移动的距离来描述，而是由力和沿力方向移动的距离这两个因素来确定，即决定于两者的乘积. 因此，为了比较完善地描写这一过程，引入功的概念，并定义为:功等于物体所受的外力和物体在力的方向上移动的距离的乘积.最后，再通过各种练习来巩固、加深对功概念的理解.应当指出，对于重要的基本概念，应要求学生理解得比较确切，运用得比较灵活. 因此，对于功这个重要概念，还要进一步深入讨论.V图5-6例如，一辆车里站着一个人，车和人一起以速度V做匀速直线运动. 这时,车内站着的人用力推车，如 图5 — 6所 示 . 试 问 在A t时间内，人对车做功等于多少？这个问题的答案很简单，人对车做功等于零. 然而，追问一下为什么？则有的学生会认为，这是因人虽然用力推车，但车的位移不是人推的，所以，人对车不做功. 这种解释是错误的，是对功的概念理解得不确切.要知道，正如前面所讲的，谈到功，一定是力做功. 为了讨论人对车做功,首先应分析人给车几个力. 根据题意，人给车三个力：人水平向前推车的力F ；人水平向后给车的静摩擦力f ;人竖直向下对车的压力N .然后，分别计算这三个力对车做的功，它们的总和就是人对车做的功.在At时间内，车做匀速直线运动的位移为v • A t ,所以，力F对车做正功W i = F • v , A t .力f对车做负功w2= - f • v • A t .力N对车不做功W ：, = 0 .由于车做匀速直线运动，即加速度等于零，所以，车所受到的合外力应当等于零，即F和f的大小相等. 因此，人对车做的功等于W = W , + W2+ W3= F • v • A t - f • v • A t .= 0 .这样的解释才是确切的（ 在尚未学习动能定理之前， 这是唯一正确的解释） .又如，汽缸内充有一定压强的理想气体. 该气体等压膨胀，推动活塞匀速移动. 参阅图5 — 7 , 设压强为P , 活塞面积为S , 开始时气体的体积为％. 当气体膨胀到体积为出时，气体对活塞做功等于多少呢？如果学生最后不能回答这个问题，则说明运用功的概念不够灵活.回答这个问题，同样使学生首先分析气体给活塞的力F = p • S . 活塞的位移为 1 . 由于力F 和位移1 的方向相同，即夹角为0 ° ,所以根据功的定义得气体对活塞做的功等于V1 ，」1 T，SV2图 5-7W = F , l = p , S • 1= p ( V a - V , ) .下面，我们再简单地讲一下“ 电阻”这个概念的教学.- - - - - - - P - - - - - -图 5-8电阻与功不同，学生没有日常生活的感性知识，因而必须从演示实验入手. 取一段导体( 高阻电阻丝) 并联一个电压表，再串联一个电流表，接成如图 5 —8 所示的电路. 然后，分别用1 个、2 个、3 个干电池作电源，令学生观察两个电表指针的指示，先后得到不同的电压U 和电流强度I 的数值，记录如下：1 5 3 6- 0 , 1 0 . 2 0 . 4引导学生分析这个结果，发现—=- -=- - - =- - - =曰 'yI 0.1 0.2 0.4即加在导体两端的电压和通过导体的电流强度的比值是恒量.换另外一段导体（ 高阻电阻丝），重复上述实验，得到U 1.5 3 6I |o.2 0.4 0.8同样，加在导体两端的电压和通过该导体的电流强度的比值仍然是一个恒量. 同时，可以看到，这个恒量与电压、电流强度的具体数值无关，只决定于导体本身. 从而苧可以反映导体阻碍电流通过的作用.导体这种阻碍电流通过的性质，我们称之为“ 电阻” （ 单位为. 但是，必须给学生指出对于某一导体来说，R =，并不意味着即不存在电阻与电压成正比，与电流强度成反比的比例关系.例如，一段导体，电阻为2 Q ,当两端电压增大一倍时，电阻为多大？学生如果认为存在R〜U的关系，必然会误答为电阻也增大一倍，即4 Q .实际上，当电阻两端电压增大一培时，电流强度随之增大一倍，电阻值是不变的，这才是? 为恒量的含义.又例如，一段导体两端的电压为8 V ,电流强度1=0. 5 A ,问该导体电阻是多大？若使该导体两端的电压为4 V ,问电阻R = ?电流1 = ?第一TT O个问题很容易回答，R = , =扁=16 （ 。

当两端电压为4V时，电压变为原来的一半，是否电阻也降低一半为8 Q呢？要知道，由于电阻R并不是与电压U成正比，所以当U变为4V时，随之改变的是电流强度I减小到原来的一半为0 .2 5 A ,电阻值仍然是16又如，初中能量概念的教学.如果只是简单地告诉学生“ 一个物体能够做功，这个物体就具有能“，是不符合概念教学程序的，从而也不可能给学生留下深刻的印象.英 国 汤 姆 •邓 肯 著 “ 探索物理知识”一书中，对能量这一重要概念，是从“ 人做工，需要不断地补充足够的食物”这一生活常识谈起的，提出是不是所有做工都需要“ 进餐”，机器做工是否也需要“ 加餐”等一系列有趣的问题.例如，令学生观察、思考下列问题是否需要“ 进餐”：吹胀一个气球；两手拉着一根橡皮带，将它一拉一松；爬山；学习历史；自动手表自动上发条；真空除尘器吸除尘土；在游泳池里水将人浮起；直升飞机在空中盘旋；提出上述一系列的有趣问题，实际上，就相当于引导学生在有关事物、现象 中 “ 漫游”！最后得出结论：食物和燃料是能量的仓库. 正是这些能量使人或机器做工.如果按照上述内容和形式进行初中物理“ 能量”课题的教学，也将很容易得出我们现行初中物理课本中关于能量的定义，即一个物体能够做功，我们就说这个物体具有能. 而且，课堂教学气氛也将会生动活泼的.在此基础上，说明能量有很多种形式，而且可以相互转化. 来自食物和燃料中化学成分的能量，叫做化学能. 当你把重物举高，你的肌体中的一部分化学能转换为重物的上升能（ 即势能）；释放重物落下后，物体具有运动的速度,这时，势能又转变为运动能（ 即动能），等等.再如，高 中 “ 动量”概念的教学.一般的教材，首先列举一个日常生活中的实例，简单地分析得出一个结论,即考虑一个物体的运动效果，需要两个因素：质量和速度. 接着给动量下一个定义，写出数学式，说明单位，指出动量是矢量.在教学中，为了让学生在有关事物、现 象 中 “ 漫游”，一个事例显然是不够的. 应该再补充一两个事例，令学生思考. 学生们都有这种生活经验：站在树下，抬头看见一片树叶落下即将砸到头顶，一定会满不在乎，而看到远处有一石块飞来，一定会望而生畏地急忙躲开. 为什么这两种现象，会使人产生满不在乎和望而生畏两种不同的心理反映呢？单就这个问题，学生很容易想到：树叶与石块两者的区别，树叶轻，石头重；树叶下落得慢，石头飞得快.学生们也有这种生活经验：把一个鲫头放在钉子上，一般是不能把钉子压进木头里去. 可是，挥动鲫头敲打钉子，就可以把钉子打进木头里去；换一把质量更大的鲫头敲打钉子，或更快地挥动那头敲打钉子，钉子就更容易被打进木头里去. 这是为什么呢？对于这个问题，学生也能想到，这个现象是与鲫头的质量、速度有关.教师应当引导学生思考，并得出初步的印象：上述现象都是与物体的运动量有关，而物体运动量的大小是与物体的质量和速度有关的，质量越大，速度也越大，则物体的运动量就更大.在学生获得了感性认识，有了明晰的印象之后，可以告诉学生：早在三百年前，人们就在生活和生产实践中察觉了这些知识，并开始寻求量度运动的物理量. 伽利略、笛卡尔、惠更斯、马略特等，先后在研究打击、碰撞的问题中,把质量和速度联系起来描写物体的运动量，提出了动量的概念. 这时，可以概括出结论：动量是描写物体运动的量，它是一个矢量，其量值等于物体的质量跟速度的乘积，方向为速度的方向.总之，在物理概念教学中，应该做到如下三点：第一，教师应当创造条件，增强学生的感性认识，使学生清楚地了解某一概念是从哪些物理现象中抽象、概括出来的，是怎样抽象、概括出来的.第二，要引导学生认识事物的本质，教师要从各个方面启发学生积极地进行思维活动，使学生能在不断发现问题和解决问题过程中，理解概念的含义.第三，要通过多次反复思考、运用，不断纠正错误的认识，深化对概念的理解. 特别是对于为数不多的、作为重点知识的基本物理概念，应当要求高一些，即要求学生对它们理解得比较正确些，运用得比较灵活些.第六章物理规律教学物理规律反映有关事物相互作用和有关物理现象（ 或过程）中内在的必然关系. 通常分别称为定律、定理、原理、方程等等.规律是客观存在的，是不以人的意志为转移的. 规律只能发现、不能创造.§ 1物理规律的特点物理规律具有以下几个特点.1 .物理规律与其他规律一样，只能发现，不能创造总的说来，发现物理规律有两类方法：实验归纳法和理论演绎法.( 1 )实验归纳法.从对事物、现象多次观察、实验出发，在取得大量资料的基础上进行综合、归纳，发现在一定条件下有关物理量之间的必然联系. 从而得出结论，或建立假说，再通过实验检验就成为规律.采用这种方法发现的规律，一般叫做定律. 如牛顿运动定律、动量守恒定律、机械守恒定律、万有引力定律、热力学第一定律、库仑定律、欧姆定律、楞次定律、法拉第电磁感应定律、光的反射定律、光的折射定律，等等.( 2 )理论演绎法.从已知的规律或物理理论出发，对某特定事物或现象，进行演绎、推理，从而得出在一定范围内有关物理量之间的函数关系或新的论断. 最后通过实践检验就成为规律.采用这种方法发现的规律，一般叫做定理，或 原 理 . 原 理 、定理这两个术语表明，它们不再仅仅是对经验事实的概括，而是成为科学理论系统本身的出发点，如动量定理、动能定理、动量矩定理、功的原理、波的叠加原理、光路可逆原理，等等.实验归纳法明显地反映出认识物理规律过程中的感知和理解两个主要阶段. 而理论演绎法则隐含或间接地反映了感知和理解两个主要阶段. 因此，不管认识物理规律的方法有何不同，从掌握物理规律的全过程看，总要包括感知、理解和运用三个主要阶段.还应当指出如下几点.①有些物理规律，从发现它的历史来看，是由实验归纳法得出的，称为定律是恰当的，但由于人们的认识逐渐深入，按物理现象内在联系来划分，把它作为某些基本规律的推论，更为合适，从而也可以把它叫做定理、原理.例如，阿基米德定律和帕斯卡定律的内容，实际上它们可作为静止流体压强分布规律的两个推论，从而，通常也叫做阿基米德原理和帕斯卡原理.②有些物理规律，特别是带有普遍性的，可作为其它规律基础的一些规律,并没有给予定律或定理的名称，而以方程、方程组来命名，如运动方程、状态方程、麦克斯韦方程组等.总之，无论通过哪种途径发现的规律，都是与观察、实验、抽象思维、数学推理等有着密切不可分割的联系.牛顿第一定律的建立，虽然是以实验为基础，但它不能直接用实验加以验证，它是实验、思维、推理和想象相结合的产物.牛顿第二定律，则是在实验事实的基础上，经过分析、综合、并利用数学方法总结出的客观规律.2 .物理规律是有关物理概念之间的必然联系任何一个物理规律，都是由一些概念所组成. 都可以用一些数字和测量联系起来，而且是用语言逻辑或数学逻辑来表达概念之间的一定关系.例如，牛顿第二定律，就是由质点、力、质量、加速度等概念组成. 研究对象是质点，力、质量、加速度是三个可测量的物理量. 它表明了研究对象（ 质点）的加速度与研究对象（ 质点）的质量和所受的力的定量关系.又如，欧姆定律，是由导体、电流、电压、电阻等概念组成. 研究对象是导体，电流、电压，电阻是三个可测量的物理量. 它表明了通过研究对象（ 导体）的电流与研究对象（ 导体）的电阻和加在研究对象（ 导体）两端的电压的定量关系.3 .物理规律具有近似性和局限性物理规律具有近似性. 首先，由于物理学所研究的对象和过程，往往不是处于自然状态的实际客体和实际现象，而是采用科学抽象方法适当简化之后建立的理想模型和理想过程；其次，由于物理学是实验科学，在观察和实验中，限于仪器的精密程度、操作技术的准确程度，不可避免地出现测量误差. 另外,还由于物理现象中的微观量的涨落因素，使许多宏观可测物理量的值都是统计的结果，也不可避免地存在误差和不准确性.因此，反映各物理量之间关系的物理规律，只能在一定精度范围内足够真实但又是近似地反映客观世界. 但物理规律的近似性并不降低物理规律的客观价值，并没有削弱对实践的指导意义， 物理规律不仅具有近似性，而且由于规律总是在- - 定范围内发现的，或在一定条件下推理得到的，又在有限领域内检验的，所以规律还具有局限性. 也就是说，物理规律总是有它的适用范围和适用条件.例如，牛顿第一定律，它没有涉及物体的转动，也没有涉及物体内各部分之间的相对运动，因此它只适用于质点. 由于做平动的物体可以视为质点，所以它只适用做平动的物体. 另外，大家已经知道，描写运动是相对的，必须选定参照系. 牛顿第一定律中谈到的静止和匀速直线运动，是不是对任何参照系都适用呢？让我们分析一下大家熟知的现象:图6-1参阅图6 — 1 , 地面上放有一•物体A . 站在地球上静止不动的观察者（ 以地球为参照系），看到物体A 是静止不动的；站在水平向右匀速直线运动的车上的 观 察 者 （ 以水平向右匀速直线运动的车为参照系），看到物体A 是以大小相同的速率、水平向左做匀速直线运动；站在水平向右加速直线运动的车上的观察 者 （ 以水平向右加速直线运动的车为参照系），看到物体A 是做水平向左的加速直线运动.可见，不同的参照系，观察同一事物，所得结果是不同的. 然而，以地球为参照系，或以匀速直线运动的车为参照系，所观察到的现象，都满足牛顿第一定律，因为物体在水平方向上没有受到其他物体对它的作用，所以物体静止不动，或匀速直线运动. 以加速运动的车为参照系，所观察到的现象不符合牛顿第一定律. 因此，牛顿第一定律不是对任何参照系都适用的.总之，牛顿第一定律仅适用于质点，且受到参照系的限制，牛顿第一定律只适用于惯性系.又如，动量守恒定律. 这是自然界中普遍适用的定律，它适用于宏观物体、微观粒子，高速运动情况，低速运动情况等. 然而，动量守恒也是有条件的，这个条件就是研究对象所受的合外力必须等于零，或者，合外力远远小于内力，这是一种近似处理，在这种情况下把合外力忽略不计，实际上相当于合外力等于零. 这就是说，尽管动量守恒定律的适用范围极为广泛，但仍是有条件的.物理规律的使用条件，常不显含在规律表述中，而是根据具体问题的条件不同而有所变化.例如：宏观、低速这两个条件是牛顿定律使用的大前提. 所谓宏观是与普朗克常量济目比较而言；所谓低速是与光速相比较而言，但在解决具体问题时，如何确定其是否满足这个大前提，还要根据具体问题具体分析. 如某一电子流的运动速度为6X 10"m /s.仅从其速度看，它满足于低速情况，但还不能确定其是否满足宏观这个条件，还应根据其在具体问题中是否显示波性来判断. 计算该电子流的德布罗意波长为：7) 6X1Q-3*嬴二10X10-30x6X106-10-10(m).如果研究该电子流在平行板电容器极板间的运动情况时，由于平行板间距最小不过1 0 加，与该电子流的德布罗意波长相比数量级相差很大，根据衍射条件可知，不会出现衍射现象，即不显波性. 因而，这种情况下，电子流的运动满足牛顿定律的宏观、低速的适用范围. 如果研究该电子流打在金属板上的情况，由于其德布罗意波长与金属板原子线度相比数量级很接近，会出现衍射现象，即显示出波性. 因而，这种情况下，电子流的运动就不满足牛顿定律的宏观、低速的适用范围.总之，任何物理规律都有其适用范围、适用条件. 超越这个范围，真理性往往变成谬误.§ 2 物理规律教学物理规律教学，不单是使学生掌握物理规律，而且要使学生掌握科学的研究方法，提高观察、实验能力、思维能力和运用规律分析问题、解决问题的能力.物理规律教学的•般程序是：首先，使学生对发现或建立某一规律所采用的方法、途径和具体的依据有较清晰的认识. 其次，使学生明确某一规律的物理意义，适用范围和条件. 最后，通过练习、运用，使学生掌握分析问题、解决问题的思路和方法.对于某一规律的教学，不一定完全按历史上最初的发现过程，究竟采用哪种途径来建立规律，可根据教学要求、学生原有基础、学校设备和条件等来确定. 实际上，教学中采用不同的方法来探讨规律，各有其特点.例如，关于理想气体状态方程呈= 。

的建立，可有如下几种方法：方法I 设有一定质量的理想气体，其所处的初始状态为P ， 、％、T ”经过一个变化过程到达终了状态为S、V” L .由于初态和终态是确定的，无论从初态R 、/ 、T , , 经历任何过程，只要达到终态，其参量仍为8、% 、L.因此，为了方便地研究两个状态的参量之间的关系，我们可以选取我们已经掌握了的等温过程和等容过程来实现. 即设想理想气体从状态P ” V、 、「开始先经过一个等温过程，温度「保持不变，体积从修变为％, 压强从小变为6；再经过一个等容过程，体积V , 保持不变，温度从「变为T ” 压强从P 3 变为6,达到状态6、V” L .根据已知的规律，对于第一个等温过程来说，由玻义耳- 马略特定律得知p M = p M .对于第二个等容过程来说，由查理定律得知P3 T2T r由以上两式可得PNI Pa %了 二 年上式表明：一定质量的理想气体，处于任意平衡状态时，压强和体积的乘积与热力学温度的比值是恒定不变的，即T方法n根据两个气体实验定律的实验事实，可以归纳得出气体的压强、体积和温度三者之间的关系.对于一定质量的气体，在压强不太高、温度不太低的情况下进行实验. 由实验得知：当保持温度T 一定，压强p与体积成反比，即1当保持体积V一定，压强p与温度T成正比，即p~T.将以上两个关系综合起来，当气体的温度和体积都改变时，压强与温度成正比，与体积成反比，即T把比例式写成恒等式，应出现一个恒定的比例常数，设为C ,则得即BX = c.T方法m 取一定质量的气体为研究对象. 直接测定它的状态参量P、v、T.处于某一平衡状态时，测得压强为出，体积为%,温度为T, ；改变为另一平衡状态时，测得压强为P”体积为V”温度为加再改变另一平衡状态，测得压强为P”体积为V”温度为T, .从大量的实验数据，可直接总结、归纳出吼 =喳 =...=巴 =「以上三种方法各有特点. 方法I属于理论演绎法，其理论依据有二：一是初态P，、%、「和终态6、也、「是确定的，两个状态的参量之间的关系与所经历的过程无关；二是气体实验定律，即玻义耳- 马略特定律、查理定律和盖吕萨克定律这三个定律中的任意两个.方法H与牛顿第二定律的建立类似. 研究对象为气体，由于涉及压强、体积、温度三个变量，先设一个变量T不变，研究压强与体积的关系；再设另一个变量V不变，研究压强与温度的关系，最后得出p〜卷，再运用数学知识，得出结论，这种方法属于实验归纳法.方法in是直接测定气体分别处于几个平衡状态时的压强、体积、温度，便可发现规律. 也属于实验归纳法.在实际教学中，究竟采用哪种方法，要视具体情况而定. 如果学生对实验归纳法掌握得尚不好，或平时训练少，则可采用方法H或方法IH；如果学生对理论演绎法接触的少，则可采用方法也可以以某一种方法为主，再介绍另一种方法，教师可根据具体情况自行处理. 但是，无论采取哪种方法，都必须使学生明确建立规律的过程、依据以及所采用的方法.规律建立之后，应使学生明确它的物理内容和意义，以及适用范围.众所周知，压强、体积、温度，都是描写气体平衡状态的参量：压强是从力学的角度描写气体的平衡状态；体积是气体分子活动的空间，是从儿何学的角度描写气体的平衡状态；温度表示分子运动激烈程度，是从热学的角度描写气体的平衡状态. 由于它们是从不同角度描写同一个状态，所以它们之间必然有一定的联系，这个联系方程式，叫做气体状态方程.理想气体状态方程适用于理想气体.要知道，分子没有大小，分子间没有作用力的理想气体模型，实际上是不存 在 的 . 但 是 ，在温度不太低（ 一般不低于室温），压强不太高的情况下，一般实际气体，如空气、氧气、氮气、氢气、氧气等，可以视为理想气体. 这是因为当温度较高、压强较低时，气体的体积很大. 这时，气体分子的大小远远小于容器的大小，即远远小于气体分子的活动空间，从而可以忽略不计；气体分子间距离比较大，从而分子间的作用力很小，这也是可以忽略不计的缘故.理想气体方程的数学表示式吼=喳=… d = c .除要求研究对象是理想气体之外，还要求该理想气体的质量不变. 这就是说，一定质量的理想气体，由某一平衡态过渡到任意另一平衡态时，两个平衡态的参量之间的关系满足上式.明确了气体状态方程的物理意义，运用方程P l% P 2 V 2丁二丁解决有关问题的步骤就很清楚：①根据问题的要求和计算方便，确定研究对象. 所选定作为研究对象的气体，应当可以视为理想气体，并且当它的状态变化时，保持质量不变.②描写研究对象所处的平衡状态.③列方程，求解.例如，贮气筒内有压缩气体，温 度 是 2 7 C , 压强是4 0 X1 0 ' Pa . 如果从筒内放出一半质量的气体，并使筒内剩余的气体的温度降到1 2 ℃ , 这些剩余气体的压强是多大？放出气体前放出气体后图6-2首先，确定研究对象. 由于问题是要求剩余气体的压强，所以选剩余气体作为研究对象，并视为理想气体. 这个研究对象在放气前只是贮气筒内的一半气体，是放气后贮气筒内的全部气体，如图6 — 2中划斜线部分. 从而保证了这个研究对象在状态变化过程中质量不变.其次，描写研究对象所处的状态.设放气前，研究对象所处的状态为状态I ，放气后它所处的状态为状态H.根据题目所给数据得知：状态I ：压强为Pi = 4 0 X1 0 Pa , 温度为I = 2 7 3 + 2 7 = 3 0 0 K , 体积只占贮气筒容积的一半，设贮气筒的容积为V,则％ =齐.状态I I ：压强为s，这是待求的未知量，温度为Tz= 2 7 3 + 1 2 = 2 8 5 K , 体积就是贮气筒的容积，即V, 斗.最后，根据理想气体状态方程PNI _ p . %F = 丁，将上述数据代入，得4 0 X 1 05 X l v 叮_ _ _ _ _ _ _ _ _2 _ p V3 0 0 2 8 5 ）由上式解得4 0 X1 05X2 8 5p 2 ~ ~ 2 X3 0 0= 1 9 X1 0 $ （ Pa ）.又如，两个截面积相同的连通管，一为开管，一为闭管，原来两管内水银面等高，闭管内水银面上空气柱高度为L , 开管水银面上空的大气压强为p ”如图 6 —3 所示. 今打开底部活塞使水银漏掉一些以后，开管水银面下降了 h （ 图6 - 4 ）,试求闭管内水银面下降了多少？ （ 设温度保持不变）图6-3首先，确定研究对象. 问题所求的是闭管内水银面下降了多少，自然不能取水银为研究对象. 由于闭管水银面下降了多少就等于闭管内空气柱增长了多少，所以，应当选取被封闭在闭管内的空气为研究对象，并视为理想气体. 在漏掉水银的前、后，这部分空气仍是被封闭的，从而保证了状态变后前、后的质量一定.其次，描写漏掉水银前、后，研究对象的状态.水银漏掉前， 研究对象的压强为p . ； 体积为L - S ( 其中S为管子的截面积) ；温度为T.水银漏掉一些后，研究对象的压强降低了，参阅图6 —4 , 根据流体静力学的知识得知，这时研究对象的压强为p 「( h - A L ) ,式中为闭管内水银面下降的量值. 研究对象的体积为( L + A L ) - S ；温度仍为T.最后，由理想气体方程得Po L S EY h-△—] ( 1 , + 5)S" 7 f T ，整理后得p0L = ( p0- h + A L ) ( L + A L ) ,由此式可解得AL的量值.第七章物理练习教学物理练习，是指在理解物理教学内容的基础上，或以讨论解答、书面解答,或实际操作等形式，反复地完成一定的作业. 这是知识运用的一种方式，它既是检验学生对知识理解和巩固程度的一种手段，又是使学生加深理解、巩固知识、提高运用能力的一种措施，是掌握物理知识、发展能力过程中不可缺少的一个阶段.学习物理，必须要做物理练习. 概括地讲，练习的主要目的是：①巩固、深化、活化物理学的基础知识和实验技能；②教给学生解题的思路与方法，提高运用知识分析问题和解问题的能力. 同时，通过练习教学可以随时得到学生情况的反馈信息，以利于调节教学程序和教学方法，收到较好的教学效果.§ 1物理练习形式根据教学内容的要求，学生对不同层次知识的掌握情况，以及学生的智力水平，可以编制具有不同特点、不同层次要求的练习问题，以达到上述的练习目的. 具体形式有判断、选择练习，思考问题练习，实验设计练习，推理论证练习，计算问题练习，等等.1 .判断、选择练习判断是根据概念和逻辑关系，对事物或现象作出肯定或否定的结论. 有所肯定或有所否定，是判断在结构上的特点.这种练习的特点是概念性很强，逻辑思维也很强. 通过练习，可以澄清」些似是而非、似非而是的认识，正确地理解概念，掌握规律，提高判断思维能力.判断、选择练习，有难、易各种层次，有的属于记忆、了解的，有的属于思维理解的，有的属于简单运用的.例如， “ 在真空中各种电磁波具有相同的量：①频率；②波长；③波速. ”“ 同一电磁波在不同介质中的不变量是：①频率；②波长；③波速. ”这种选择判断，是比较简单的，在中学阶段是属于记忆、了解范畴.又如， “ 试判断：研究对象具有动能，则它必然具有动量，这种说法是否正确. ”这种练习比前面的判断选择要复杂些，它属于思维理解的判断练习. 在这个判断句中，包含有三个概念：研究对象、动能和动量. 前半句是前提条件，后半句是在此前提下推得的必然结论. 不仅要求判断它是否正确，而且要明确它们是否有因果关系. 因此，正确的思考应当是：如果研究对象是质点，则有这个前提条件，必然得出这个结论；无这个前提条件，必然没有这个结论，即“ 有则必然；无则必无” .如果研究对象是质点组，则质点组具有动能，但不一定就具有动量；而质点组没有动能，则它必然也没有动量，即 “ 有则未必，无则必无”.与此类似的问题有：试判断下列说法是否正确： “ 如果给金属加热，则它的 温 度 将 升 高 “ 只有闭合回路中有磁通量变化，就有感生电流出现. ”分析判断这种问题，不应只满足于一个简单的回答正确与否，而应当像上述那样,要明确如果有这个前提条件怎样？没有这个前提条件又怎样？只有这样，才能巩固、深化、活化概念. 可见，这种判断练习，是在理解概念的基础上，运用逻辑思维方法作出的结论.再如，一只灯泡A和一个电阻很小的线圈L并联，它们跟电源、开 关S组成如图7— 1所示的电路. 合 上S以后灯泡已正常发光. 这时，断开开关S ,灯泡A的发光情况是：A―IT । ——图7-1①突然发出很强的亮光，然后熄灭；②不立即熄灭，也不发出很强的亮光，而是逐渐暗下来，最后熄灭；③突然发出很强的亮光后，由于灯丝被烧坏，从而突然熄灭；④由于题目给出条件不足，尚不能肯定出现上述的哪种情况.这种问题，并非记忆、了解的内容，而要运用概念、规律进行分析，才能得结论，属于简单的灵活运用的练习.判断、选择形式的练习，也可以是实验方面内容的，例如，测定电源电动势和电源内阻，除了需要电源、导线、开关之外，尚需下列哪些组仪器；①电流表、电阻箱；②电流表、滑线变阻器；③电压表、电阻箱；④电压表、滑线变阻器；⑤电流表、电压表；⑥电流表、电压表、滑线变阻器.又如，参阅图7 —2 .合上开关S之后，发现两个灯泡均不亮. 利用万用表电压挡，测 得U.=6V, L= 0, L= 0, U = 6 V .则故障是：ba「 —T 6V年L2d图7-2①口灯丝断了；②L 灯丝断了；③可变电阻R未接通；④开关S 实际上并未接通.这里顺便指出，判断、选择的练习，一般应加强概念的理解和运用为主，当然，也可以要求学生进行适当的计算.2 . 思考问题练习引导学生深入思考，或发现问题，或预测结果等方面的练习，叫做思考问题练习.例如，你坐在向前飞驰的火车车厢里，通过窗玻璃向外看，看到近处的树木、房屋都向后跑，而看到远处的树木却向前，好像做圆运动似的，这是为什么？如果你设法遮住近处的物体，专门看远处的物体，即眼睛只能看见远处的物体，而看不到其他物体，则你看到的远处物体是向后跑，还是向前跑？又如，一个鸡蛋从高出桌面一尺的地方自由落下，碰到桌面时，鸡蛋壳将被碰破. 如果在桌面上铺一- 条毛巾，再使鸡蛋从刚才的地方自由落下，结果怎样？请试试看！并解释其原因.再如，晴朗的夏天，太阳当头照，你走到密林中，会感到荫凉舒适. 如果你仔细观察一下，会看到地上有一个个圆形的光斑，这是透过茂密的树叶射来的阳光. 为什么光斑都是圆形的呢？还如，参阅图7 — 3 所示电路. 两只灯泡L,和 L 的规格相同，线圈的直流电阻值与电阻R的阻值相同. 请思考一下：合上S 时，两只灯泡谁先亮？--------------------- [= 1 ----------图7-3如果把图7—3所示的电路中的电阻R去掉，换上一个电容器C ,结果又怎样？3 .实验设计练习运用已学的基础知识，独立地进行实验方案的设计，完成给定任务的练习,叫做实验设计练习. 这对培养学生的观察、实验能力是极为有益的，在物理教学中应当加强.例如，请设计一个简易实验方案，估算一下：在阳光直射大地的情况下，地球表面每平方厘米、每分钟最多能接收多少太阳能.再如，为了研究电源端电压跟外电阻的关系，找出规律. 请设计一个实验方案.要求学生灵活地运用已有的知识和技能去设计实验方案，并通过实验创造性地去获取新的知识，扩大知识面.4 .推理论证练习根据已知理论和给定的条件，通过逻辑推理（ 含数学推理），导出所要求的结论的练习，或根据已知理论，证明给定结论的正确性的练习，叫做推理论证练习.光滑平面图7-4例如, 参阅图7 — 4 . 两个弹性小球的质量分别为m,和 跖 球1的初速度v 10=0,球2以速度v20水平向左运动. 要使球2与 球1做弹性碰撞后，球1向左运动与弹性挡板碰撞被弹回，再与球2相碰，m l与m2应满足什么关系？又如，试证明杆秤上的刻度是均匀的.再如，从某点以V。

的速度竖直上抛的物体（ 质点），经过时间达到最高点以后，又经过时间t , 回到原抛出点. 在忽略空气阻力的理想情况下，自然t r= t 然而，在考虑空气阻力的情况下（ 为简单起见， 设阻力的大小为一恒量），则 t上 与 tb 是不相等的，试证明t > > t t .推理论证练习，不仅能巩固、深化、理解物理知识，而且能够有效地培养学生演绎推理的逻辑思维能力.5 . 计算问题练习以定量计算为主的解答有关物理问题的练习，叫做计算问题练习. 一般可分为简单计算练习和综合计算练习两种.简单计算练习，并不是计算上极为简单，而是指研究对象的物理模型和物理过程比较单一.综合计算练习，一般是指研究对象所涉及的物理现象是多方面的，或研究对象所进行的整体过程比较复杂，可能是由儿个物理过程所组成的.§ 2 重视物理图景分析运用所学的物理知识来分析和解决具体的物理问题，容易出现这样或那样的错误，甚至有时会束手无策. 究其原因，主要是不习惯于分析问题的物理图旦年.问题的物理图景，是指问题中的研究对象是什么，它处于什么状态，状态的变化有什么特点等方面的内容.众所周知，中学物理学中研究的对象和过程，多是属于理想化的模型，并研究在这些模型情况下所遵循的规律. 例如，质点处于平衡状态，其规律为合外力等于零，即SF=O.质点在恒外力作用下，将产生恒定的加速度，即物体（ 质点）做匀变速运动.质点做匀变速直线运动的运动学规律为v=v<>+at,s = v (j t +51 a t 2.质点的动力学规律为S F = m a .有固定转轴的刚体处于平衡状态，其规律为合外力矩等于零，即X M= O .质量一定的理想气体等温变化，其规律为p V n [ @量，结y笺. ♦运用上述知识，解决具体问题的关键，就是要会把问题中的实际物体和现象，在什么条件下，看作是怎样的模型.即明确把问题中的研究对象看作什么理想化模型，把研究对象状态的变化看作是怎样的理想化过程.解决了这个物理图景问题，下面就是按照其有关的规律列出方程，问题将迎刃而解.例如，两个同样的球体（ 半径为R ）, 用细绳拴住，并靠在墙上，都处于平衡状态，分别如图7 — 5中的甲、乙所示.无论已知什么，求什么.问题中的研究对象是球体.因此，首先必须明确：把球体看作是一个什么模型来处理呢？众所周知， 可以视为质点的物体， 该物体所受的几个力必然通过其重心.因此，如果某物体所受的各个力都通过其重心，则可以把该物体视为质点.同样的球体，在图7 — 5甲所示情况下，由于球体所受的三个力（ 重力、墙的支持力、绳的拉力）都通过球心，所以可把球体看作是一个质点.在图7 —5乙所示的情况下，由于球体所受的四个力（ 重力、绳的拉力、墙的支持力和摩擦力）并不都是通过球心的，且又不能保证球体的运动是平动，所以，不能把球体看作是一个质点，应当看作是一个刚体.显然，同一个物体在不同的情况下，可以用不同的模型来处理.如果已知球体的重量G , 细绳与竖直墙壁的夹角以及A、B 间的距离，则可以求出细绳对球体的拉力的大小.对于图7 — 5甲所示的情况:取球体为研究对象，视为质点.它共受三个力：重力G、墙给球体的水平支持力N ,细绳对球体的拉力T,如图7 — 6所示.取球心0点为坐标原点， 水平向右为x轴正方向， 竖直向上y轴正方向.根据质点的平衡条件2F = 0 ,即£F = 0和S F ， = 0 ,得T e o s 0-G = 0 ,N-T s i n 0 = 0 .由第一个方程解得细绳对球体的拉力的大小等于GTc o s 6对于图7 — 5乙所示的情况:取球体为研究对象，视为刚体，它共受四个力：重力G、墙给球体水平支持力N、竖直向上的静摩擦力f,细绳对球体的拉力T,如图7 — 7所示.根据刚体的平衡条件2 M “ =0,得T* AB* sinO G R=0.由上式可解得细绳对球体拉力的大小等于G RT = =AB • s i n d再如，设有一个光滑的半圆形轨道，其圆心在。

点，半径为R,如图7 —8所示. 如果物体放在0点，从静止自由下落，它将落到A点；如果物体放在离A点非常近的B点 处（ B点在光滑的半圆形轨道上），也从静止开始释放，沿半圆形轨道运动，同样可以到达A点 .图7-8现在，有两个物体I和n,分别放在o点和B点处，同时从静止释放，忽略空气阻力，请回答哪个物体先到达A点？首先，应当分析把物体这个研究对象看作是什么模型？由于物体I和物体n都是做平动（ 因为轨道是光滑的，所以无论物体n的形状是方的，还是圆的,物体n总是做平动），所以，可以把它们视为质点.其次，要分析物体I和物体n做什么运动，也就是说，把它们的运动看作是一种什么理想化运动.物体I的运动是自由落体运动；物体U的运动是变速曲线运动. 然而，在中学物理课本中没有阐述质点的变速曲线运动的规律，所以，应再分析一下它可看作是一种什么理想运动. 仔细分析可知：物体n （ 质点）自位置B从静止开始运动，到达A点后仍继续向右运动，达到速度为零时，再开始向左运动，经A点继续向左运动，……这就是说，物体I I将在A点这个平衡位置附近做往复运动，从B到A的运动是这个往复运动的一部分. 根据问题中所给定的条件,B点离A点非常近，且没有任何摩擦阻力，所以，把物体n的运动可以看作是相当于一个单摆摆球的简谐振动（ 光滑轨道给物体I I的支持力，相当于单摆摆球运动过程中细绳对摆球的拉力）.明确了研究对象和所做的运动为某种理想运动，问题就可以顺利地解决.对于物体I：根据自由落体的运动规律S = g g t 2,得知物体I从0点自由落下距离R所需的时间为对于物体I I :根据单摆的简谐振动周期公式T = 2T C得知物体n从B点到达A点所需的时间为T4可见，t2> t . .从而得出结论：物 体I先到达A点.§ 3教给学生分析问题的思路和方法分析物理问题的思路和方法不是凭空而来的，其依据仍然是有关的基本概念和基本规律. 以动力学问题为例，其基本概念为力、质量、速度、加速度、功、能、冲量、动量等，基本规律为2F = m a ,2F △ t = m v - m v o ,以上三式的左端，分别表示研究对象所受的合外力、合外力冲量、合功. 右端分别表示研究对象状态的变化. 因此，利用它们解决问题的思路和步骤应当是：①明确所研究问题的整个物理过程，这是分析的前提，只有搞清了物理过程，才能根据问题的要求和计算的方便，正确、巧妙地确定研究对象.②分析研究对象受力情况，这是解决问题的关键.③考虑研究对象运动的特点，选用所遵循的规律，或考虑有无加速度，或描写初状态和末状态.④建立坐标系或规定正方向，或规定势能零点，根据所遵循的规律列出方程.⑤求解. 必要时进行讨论.A例如，一根绳子上端固定，下端挂一物体A , A的下面挂一个弹簧，下面再挂一物体B,如图7 —9所示. 若弹簧质量忽略不计，且n u = m “ =m,求物体A上方的绳子刚刚断的- - 瞬间，物体A、B的加速度各等于多大？kx (=mg) J (=2mg)图 7-10如果不进行认真分析，很容易想当然地认为A、B都是自由落体，因此它们下落的加速度都等于重力加速度g.我们知道，自由落体运动是指物体只在重力作用下的运动， 若物体除重力外， 还受到其它力的作用， 就不是自由落体运动. 在我们的问题中，当绳子没断时，物体B共受两个力：重力m g和弹簧向上拉B的力k x ；物体A共受三个力：重力mg,弹簧向下拉A的力k x和绳子向上拉A的张力T,如图7 — 1 0所示. 考虑物体A和B都处于平衡，所以有k x = m g ,T = k x + m g = 2 m g .在绳子断开的瞬间，张力T不存在了，但其他各力仍然存在，这时，物体A所受的合力为2 m g ,方向为竖直向下；物体B所受的合力为零. 取竖直向下为正方向，根据牛顿第二定律，分别得到2 m g =m a . ”0 = 013B .所以得到结果aA = 2 g ,aB = 0 -又如，把上题中绳子和弹簧的位置对换一下，如 图7 —1 1所 示 . 同 样 ，设mA=m„=m,弹簧的质量忽略不计. 试求绳子刚刚断的 瞬间，物 体A、B的加速度各等于多大？我们知道，当绳子没断时，物 体A、B都处于平衡状态，它们受力的情况如图7 — 1 2所示.m N * T (=mg)图 7-12当绳子刚刚断时，张 力T不存在了 . 但 是 ，其它力仍然存在. 由于弹簧的长度还没有来得及改变，所以，物 体A受合力的大小为mg,方向为竖直向上；物 体B受合力的大小为mg,方向为竖直向下. 取竖直向下为正方向，根据牛顿第二定律，分别得到- mg=maA,mg=mal l.所以得到结果在这个题目中，如果仕=m,而niB=2 m；或nu=2 m, m„=m,则又得什么结果呢？可令学生自己分析解决.通过以上两个例子可以看出，对于任何一个物体的受力情况若不进行分析,就会凭空想当然地作出错误的结论.解答物理问题时，不仅要注意物体在运动过程中的受力情况，还应对问题所反映的物理过程建立起准确的物理图像，否则，也得不到正确的解答.例如，一个劲度系数为k=100 (N /m )的轻质弹簧，竖直固定在桌面上. 将一个m=lkg的物体，轻轻放在处于自然长度的弹簧上端，求释放后弹簧最大压缩量1 等于多大？对这样的问题，不少学生往往会误认为物体所受重力为m g,因而有mg=kl,从而得到1 = — = 0.1 ( m ) .k实际上，这个结果是错误的，错在没有搞清物理过程. 原来，物体刚一放在处于自然长度的弹簧上端时，物体只受重力作用，做初速度为零的加速运动. 随着弹簧被压缩，物体除受重力以外，还受到了与重力方向相反的弹性力作用，且弹性力逐渐加大；当弹性力与重力平衡时，物体加速度a= 0,但物体的速度v 并不等于零，因此，物体并没有停下来( 即此时的弹簧压缩量1 '并不是最大压缩量) ，而是继续向下做减速运动，继续压缩弹簧，直到速度减小到零,才是弹簧的最大压缩量1 , 如图7—13所示.明确了物理过程，就可以选用它所遵循的规律，这里运用机械能守恒定律最为方便. 取弹簧处于自然长度时的上端为弹性势能零点，物体运动到最低位置为重力势能零点. 在整个物理过程中，小球只受重力和弹性力作用，因此，满足机械能守恒条件. 设刚刚放上物体时为状态I ,其机械能为m gl,物体到达最低位置时为状态H , 其机械能为《k P ,根心2 据机械能守恒定律得gkP =mgl,解得1=嬖=0,2 ( m ) .又如，按地球自转周期，现在一天是2 4 h , 假如地球自转加快，快到使赤道上的物体“ 漂”起来了，则这时一天是多长？ （ 已知地球半径为R = 6 4 0 0 k m , 为计算方便，重力加速度按1 0 m / 才计算. ）这种题目往往会使学生无从下手，其实仍是用最基本的分析方法. 问题的物理过程是，赤道上的物体“ 漂”起来了，说明该物体对地面没有压力，跟地面一起沿着赤道做匀速圆周运动.选物体为研究对象，它只受一个力的作用，即地球的吸引力mg ,方向指向地心，如图7 —1 4 所示. 由于做匀速圆运动的物体有向心加速度，其大小为a = 9=0） 2 R ,方向也指向地心. 取指向地心方向为正方向,根据牛顿第二定律，得则mg = mwzR ,解得此时地球自转角速度为地球自转周期为将已知R 和 g的数值代入，便可求出答案./ / / / / / / Z1Z / Z Z Z Z Z图 7-15再如，一质量M = 0 . 8 k g 的物块，放在光滑水平面上，并用销钉固定住，如图 7 —1 5 所示. 今有■-子弹质量为m= 0 . 2 k g ,以v ,= 2 0 0 m / s 的速度水平射向该物块， 穿出后的速度为V 2 = 1 0 0 m/ s. 若将销钉拔去， 子弹仍以v ,水平射向该物块,那么物块与子弹最终速度各是多少？ (设子弹在物块中所受阻力不随其相对速度而变)有的同学认为，拔去销钉后，物块就自由了，在水平方向上哪怕有一点点作用力也必然要运动起来. 所以，子弹将不穿过物块，只能嵌在物块内，跟物块一起运动，设共同速度为V , 根据动量守恒定律，则有mv i = (m+ M ) V ,所以求得 V = —V j = 4 0 (m / s).m +M但是，这个结果是错误的. 我们可以从能量观点来检查. 从题目前半部分看，子弹穿过物块的动能损失△£ = -lm v^ = 3 0 0 0(J ).这正是子弹穿过物块时克服阻力做功所消耗的能量. 而上述按两者一起运动所得的结果表明：在子弹未穿过的情况下，物块和子弹一起运动的动能为: ( m + M ) V2 = 8 0 0 (J ).这就是说，子弹嵌在物块内克服阻力做功所消耗的能量为g m v j - 1 ( m + M) /= 3 2 0 0 (J ),比子弹穿过物块所消耗的能量还多，显然是不合理的.前面的计算，错在什么地方呢？错在武断地认为拔去销钉后，子弹不穿过物块. 事实上，子弹能否穿过物块，不能想当然地去判断. 当题目中没有明确其物理过程时，允许先假定一种可能情况，按此情况进行推理计算，得出结果后通过讨论进行检查，核对，看是否合理. 如合理则正确，否则说明原来的假定是错误的，应按另一种可能情况重新考虑，从而培养学生积极探索的精神.鉴于上述分析得知，子弹能够穿过物块，应重新计算.设子弹穿出物块后的速度为v j , 物块获得的速度为W , 根据动量守恒定律有m v j =m v / +M V，,-m v ,2 = - mv{2 + —M V,2 + 3 0 0 0 .2 1 2 1 2由以上两式解得 V ' =3 0 ( m / s ) , v / =8 0 ( m / s ) .是否在拔去销钉后，子弹一定能穿过物块呢？通过上述分析，学生们很可能认为这是理所当然的.为了培养学生具体问题具体分析的习惯，而不是按一个僵死的模式生搬硬套，可将物块质量M改 为0 .3 ( k g ) ,叫学生重做此题.仍按子弹不能穿过，求得子弹和物块共同速度为8 0 ( m /s ) ,再从能量观点检查,结果又变得合理了，说明在M=0 .3 ( k g )时，子弹便不能穿过物块了.可见，我们分析问题，不能死记类型，仍然要从基本概念、规律出发，按照一定的研究方法进行分析处理.事实上，有许多问题，如果不按照研究问题的思路和方法去分析、解决,则必然要出现错误.例如，一斜面底端有一物体，具有沿斜面向上的初速度V ”如 图7 —16所示.设物体与斜面之间的摩擦因数为口，且斜面的倾角0 >t a n -u ,则物体首先沿斜面向上做变速直线运动，其加速度用符号a ।表示.物体达到斜面上一定位置时速度为零， 此后又沿斜面向下做变速运动，其加速度用符号a -表示.试比较a1和a-谁大？还是一般大？有的学生认为下坡比上坡容易，所 以a下大于a上.这就是犯了想当然的错误.事实上，按照解决问题的思路和方法，应当作如下分析.图 7-17取物体为研究对象.它共受三个力：重 力G；支持力N和摩擦力f .物体沿斜面向上运动和沿斜面向下运动的受力情况，分别如图7 T 7中 的(a )和(b)所示.选取沿斜面向下为x轴正方向，根据牛顿第二定律，分别得G s i n 0 +f = m a i. ,G s i n 0 -f = m a 下 .由此可知，a『 大于a’ . 这才是正确的结论.又如，质量m = l k g 的铁锤，以2 5 m /s 的速率竖直向下地打在固定不动的水平放置的厚铁板上，打击的时间为0.5 s ,之后，又以10m /s 的速率竖直向上地被弹回.求在打击过程中，铁板给铁锤的平均作用力等于多大？不少的学生解答是：取竖直向上的方向为正方向.铁锤打击铁板前的动量为m v n = -2 5 k g • m / s ；打击后的动量为m v = 10k g • m / s . 打击时间A t = 0.5 s .根据动量定理F • Z \ t =mv得- m v - m v0F=-将已知量代入上式，解得=1 0 -(-2 5 )F = — —---- 7 0(N ).实际上，这种解答是错误的.错在乱套公式，没有按照研究问题的思路和方法去做，并且说明他们不理解动量定理表示式中的疆平均合外力.正确的解答应当是：取铁锤为研究对象.在打击过程中，它共受两个力：竖直向下的重力m g 和铁板给铁锤竖直向上的平均作用力F .规定竖直向上为正方向.铁锤打击铁板前的动量为m v °= -2 5 k g • m / s , 铁锤打击铁板后的动量为m v = 10k g • m / s . 根据动量定理得(F - m g ) , A t = m v -m v0.将已知量m = l k g , A t = 0. 5 s , g = 10m / s ? (为计算方便)等代入上式，解得F = 8 0 ( N ) .这个结果才是正确的.否则误差要超过百分之十以上.这里应当指出，如果打击时间极短(或打击速率特大)，例如，打击时间A t = 0.005 s ,则不考虑重力的情况下，得？ = 7 000N ；考虑重力的情况下，得看= 7 000N .这时，忽略不计重力的情况所产生的相对误差只为百分之零点一四，一般是允许的.从以上分析不难看出，分析物理问题的基本思路和方法，是由基础知识本身决定的，是在物理教学过程中不断形成和完善的.一定要使学生养成科学地分析问题习惯，在分析时，要有依据，要明确道理.掌握知识是提高能力的基础，反过来，能力提高了，就更能深入地理解和掌握知识.§ 4物理练习教学物理练习是复习、巩固所学知识的有效手段之一，应当贯穿在整个物理教学过程的各个阶段中.物理练习教学，不应片面地追求练习的数量，应当根据教学的需要、针对学生存在的问题，如不善于从物理概念出发，而凭主观经验或想当然猜测，不重视物理过程分析，忽视物理规律的适用条件等等. 通过练习，纠正其错误认识，加深对知识的理解，提高运用知识说明、解释现象、分析问题和解决问题的能力.1 .练习教学的基本要求( 1 )练习题必须精心选编.练习题选编的质量是决定练习教学优劣最重要的因素. 目前，物理练习题确 实 可 谓 “ 海”，怎样从题“ 海 ”中选出适宜的练习题，怎样根据教学的实际需要安排适当的习题，确实是物理教师应认真思考的问题. 因此，举例和练习的练习题一定要精选.( 2 )练习教学必须统筹安排，做到计划性、目的性和连贯性.一个学期、一个学年，以至整体初中或高中阶段的练习教学，要有个计划，教师要心中有数. 通过练习教学，除了巩固知识外，还要有计划、有目的地使学生逐步掌握哪些方法、训练哪些思路、培养哪些能力，在发展学生解题能力方面达到什么水平，这些练习题怎样连贯起来，并和其他教学活动配合好.在不同的发展时期，要提出不同的要求，逐步提高水平，使学生在这方面的能力逐步地、扎扎实实地不断提高，并落实到每个学生. 一般来说，教师应考虑到：①新授课上的练习以及课后的作业，应选择一些最基本的练习题进行训练,以巩固所学知识，形成初步的技能. 而不宜立即加深、拓宽.②章末练习题则可安排一些能深化、活化所学知识的题目. 在练习中，若发现学生有些薄弱的地方，应该再酌情选编几个适宜的题目进行补充练习.③期末练习可以安排一些难度稍大，有一定综合性的练习题.2 . 怎样进行练习教学(1 )通过练习，纠正学生的错误认识，加深对物理基本概念和规律的理解.例如，跳伞运动员从飞机上跳下来以后，为了安全必须把降落伞张开，这是普通的常识. 然而，为什么张开了伞就安全了呢？这就并不是所有的同学都能够正确回答的.有的同学回答说： “ 张开伞后，运动员除了受一个向下的重力以外，还要受到一个向上的浮力，这样就使跳伞运动员向下的加速度减小. ”其实，这种回答是错误的. 教师应当指出其错误所在：第一，降落伞张开与不张开，它排开的空气多少是一样的，从而所受到的空气浮力是相同的；第二，即使运动员的加速度减小，但运动员的下落速度仍是增加的，经过很长距离到达地面时，速度仍可以很大. 因此，张开伞后运动员所以安全，决不是因为浮力的原因.要知道，运动员下落过程中，把降落伞张开后，伞下空气分子的密度将大于伞上空气分子的密度，从而伞下与伞上地方空气的压强是不相同的，伞下面的空气给伞向上的压力大于伞上面的空气给伞向下的压力，其合力的方向为竖直向上. 在开始张开伞时，由于向下的重力大于向上的压力，运动员所受的合力向下，所以，运动员仍做向下的加速运动，只不过加速度的大小比重力加速度小了. 从而运动员下落的速度仍不断增大. 由于运动员下落速度增大，伞下空气分子的密度再变大，而伞上空气分子的密度再变小，从而向上的压力差增大，这样，运动员所受向下的合力变小，加速度更小，但 ，速度仍要随着时间的增大而增大. 运动员的下落速度越大，伞受到向上的压力差也越大，……直到向上的压力差等于运动员( 包括降落伞) 所受的重力时，运动员将匀速下降.再如，一个人站在岸上高处，用绳索拉湖中的小船，如 图 7 — 18所 示 . 人不断地收绳，船将水平靠岸. 如果人收绳的速率是v , 则船水平靠岸的速率是大于、等 于 v , 还是小于v 呢？学生往往认为船水平靠岸的速度是人收绳速度的分速度. 根据速度分解公式，得出船水平靠岸的速率小于v 的结论. 实际上，这个结论是错误的. 速度分解公式本身并没有错误，学生错在概念不清，错在没有明确哪个是合速度，哪个是分速度的情况下就乱用速度分解公式.要知道，人收绳时，绳上各点的速度是不相同的. 除A 点以外，绳上的各个点都参予两种运动：一个是沿绳子向上的运动，从而具有沿绳子方向的速度,其大小等于收绳子的速率V ；另一个是绕A点做顺时针的圆运动，从而具有该圆的切向速度，绳上各点都以同样的角速度绕A点运动，所以各点的切向速度的大小是不同的，越远离A点的，切向速度越大. 绳上某点的速度，实际上就是以上两种运动速度的合速度， 它们遵循平行四边形法则（ 图7 —1 9 ） . 绳上C点、D 点、B点的速度合成，如图7 —1 9 所示. 可见，B点的合速度就是船水平靠岸的速度，而收绳的速度和切向速度都是分速度.图 7-19根据以上分析可知，船水平靠岸的速率应大于V .还如， 路灯下站立一人. 我们把灯视为点光源S , 它距离地面的高度为H . 把人视为有高度、 但没有宽度和厚度的理想直线， 设高度为h , 如引7 - 2 0所示. 这时，观察不到人的影子.ST-20如果人从B点开始以速度v 匀速水平向右做直线运动，则逐渐出现人的影子越来越长. 例如，经过时间t , 人从B点走到B ' 点，则头顶的影子在地面上M点，如图7 — 21所示.I图 7-21人做匀速直线运动，那么，头顶的影子M是做匀速直线运动，还是做非匀速直线运动？乍一想，随着人匀速前进，头顶的影子M点到脚底的长度越来越大，于是便得出影子M点是做非匀速直线运动的结论. 实际上这是错误的. 错在没有根据基本概念去思考，而是毫无根据地想当然.正确的分析是这样：首先，应明确什么叫运动. 某点的运动是该点的位置随时间的变动，用数学语言来说，就是该点的坐标x是时间t的函数，即x=f ( t ) .其次，应当明确匀速直线运动和非匀速直线运动的区别，在于任一段位移与所用时间的比值是否为恒量.根据运动和匀速直线运动的概念出发， 可设B点为坐标原点0 ,取水平向右为x轴正方向. t=0时，头顶的影子应该在原点0点处. 经过时间t后，头顶的影子在M点，即经过t时间，位移为x=0M.从图7—21中可见，x=0B' + B ' M.式中O B '是人在时间t内通过的距离，即OB' =vt.为了求B' M ,设NA' M B '为0,根据三角学知识，在直角三角形A' B' M中B' M=h , cot 0 .再做一条补助线A A ',得知NSA' A=NA' MB' = 0 ,在直角三角形S A A '中，所以BMh v tH- h由此可知,h v th v9互不> '即x h v- =v +-----t H- hH v= H- h '由于v、h、H皆为给定的恒量. 所以菖= 恒量.t从而说明了M点的运动是匀速直线运动，其速度的大小为H vH- L,( 2 )通过练习教学，一定要使学生养成科学地分析问题的习惯，在分析时,要有依据，要明确道理.解题练习，主要不在于数量的多少，而在于解题后所取得的实际效果. 如果从不同的角度，运用不同的规律来解答同一个练习，然后通过比较和鉴别，进一步认识各部分知识间的联系，则对于开阔学生思路，巩固、深化、活化知识，提高运用能力，是极为有益的.例如，质 量m = 15 0k g的重锤自高2 0 m处由静止落下，到达地面时的速度为1 8 m / s .试求重锤下落过程中受到的空气阻力等于多大？ ( 为简便起见，设空气阻力为恒力)解 法I ：根据牛顿第二定律和运动学规律求解.取重锤为研究对象，视为质点. 它共受两个力：竖直向下的重力mg；竖直向上的空气阻力f.由于重力和阻力为恒力，所以重锤做竖直向下的匀加速直线运动，设加速度 为a ,根据运动学规律v2= v ( >2+ 2 ah ,可求出加速度.将 Vo = O, v = 1 8 m / s , h = 2 0 m 代入上式, 得_ 1 82a = 2 X 2 0=8 . I m/ s 2 .取向下为正方向，根据牛顿第二定律得mg- f= ma,解得f= mg- ma= 1 5 0 X 9 . 8 - 1 5 0 X 8 . 1= 2 5 5 ( N ) .解法I I ：根据动能定理求解.取重锤为研究对象，视为质点. 它共受两个力：竖直向下的重力mg；竖直向上的空气阻力f .两个力对重锤做的合功为W = mgh - fh ,重锤在初态时的动能E m = 0 .在末态时的动能EK = £ mv 2 .根据动能定理得mgh - fh = - ^- mv2,由此可知fmgh - ^mv2h将已知量的数值代入，得1 5 0 X 9 , 8 X 2 0 - i x i 5 0 X 1 82f =_____________ 2 __________2 0= 2 5 5 ( N ) .解法I H ：根据功能原理求解.取重锤为研究对象，视为质点，它除受重力外，只受空气阻力f . 阻力对重锤做负功一fh .取地面为重力势能零点，初态的机械能E 0 = m g h , 末态的机械能E1 2- 2m V ,根据功能原理得1 2- fh = — mv - mgh ,< ] „,,2mgn — — mvf二 ―= 2 5 5 ( N ) .解法I V：根据动量定理求解.取重锤为研究对象，视为质点. 它共受两个力：竖直向下的重力mg, 竖直向上的空气阻力f.由于重力和阻力为恒力，所以重锤做初速度为零的匀加速直线运动. 根据运动学规律v = at ,和v2= 2 ah ,得知重锤下落的时间为2 ht =— .v取竖直向下为正方向，重锤在初态时动量为零，在末态时动量为mv .根据动量定理ZF • t = mv - mv 。

得(mg -f) - = mv,即将已知量代入解得f=255 （ N）.通过以上几种解法可以看到：①利用功能关系（ 解法H和III）来解，往往比利用牛顿运动定律（ 解法I ）来解要方便些. 如果题目中直接给出下落的时间，而未给出下落的距离. 则利用动量定律（ 解法IV那样）更为方便；②动能定理和功能原理实质是一回事，前者不引入势能概念，而要计算重力做功. 后者引入势能概念，不计算重力做功.总之，物理练习教学的目的是巩固、深化、活化基本概念和基本规律，提高运用知识、技能、方法来分析问题和解决问题的能力.第八章物理复习教学物理复习，是帮助学生达到巩固知识、发展能力的一种重要的教学形式，是物理教学的重要组成部分. 它是贯穿在整个“ 教与学”过程中重构和深化物理知识的认识活动，也是提高教学质量的重要措施. 因此，要取得良好的复习效果，必须明确物理复习在教学中的作用，必须研究物理复习的方法.§ 1 物理复习的作用1 . 巩固知识、强化记忆〜般说来，学生掌握知识需要有领会、巩固、应用这三个既互相联系，又有区别的环节. 其中巩固知识这个环节是非常重要的. 所谓巩固，是通过反复的强化，把所领会了的知识牢固地保持在记忆之中的过程. 知识是否巩固的标志在于是否能够正确地、迅速地再认和重现，以至灵活地应用知识来解决问题要巩固掌握的物理知识，必须跟遗忘作斗争. 根据心理学的研究，遗忘和保持是相互对立的两个方面. 遗忘就是大脑皮层上暂时神经联系的抑制. 从学习的角度看，遗忘有两种：一种是在学习知识以后，由于没有复习，致使大脑皮层上的暂时神经联系因得不到强化，而产生消退抑制，这就是所谓永久性遗忘；另一种，或是由于某种外界强烈刺激的干扰，引起外抑制，或是由于长时间的强化记忆，大脑皮层上的神经细胞因过度疲劳而引起保护性抑制，从而导致所谓暂时性遗忘，一旦外抑制或保护性抑制消退，记忆便可恢复. 从教学的角度讲，预防遗忘、巩固知识的最好方法是经常复习.心理学研究表明，在认识新知识的同时，遗忘也就开始了. 在识记的最初时间遗忘得快，后来逐渐缓慢，相当时间以后，儿乎不再更多地遗忘了. 根据这一规律，就要求我们在教学中不仅要加强复习，而且应及时复习.2 .温故知新、拓宽加深复习并不是简单的重复，它实际上也是一个知新的过程. 复习是否能达到巩固的目的，主要取决于对知识内容的重新组织，同时，也要针对学生的实际,针对所存在的、带有普遍性的问题. 在复习过程中要通过知识的内在联系，把零散的、片断的知识条理化、系统化，使学生对知识的理解更深刻、更全面，达到横向拓宽知识，纵向深化知识的目的. 例如，学 生 初 学 “ 热量”这一概念时，往往有人理解为“ 物体所含的热”. 通过把热量、温度改变、物态变化中吸热与放热、热和功等联系起来复习，就有可能使学生摒弃“ 含热”的错误观念 . 再 如 ，学生分别学习了牛顿定律、动量定理与动量守恒定律、动能定理与机械能守恒定律，通过复习，可以使学生明确认识到：这三条规律是动力学的核心，它给我们提供了解决动力学问题的三条途径. 通过分析、对比，弄清它们之间的区别与联系，这对于学生掌握整个力学体系，具有重要的作用. 当然,复习时的提高与拓宽，不能离开教学大纲的要求和学生的实际.3 .发展能力、综合提高通过概括而系统地复习，可以进一步掌握研究和处理问题的方法，有助于系统的物理知识与学生已有的知识体系相联系，形成新的认知结构，有助于知识向能力的转化. 在复习过程中，通过教师的示范、指导和启发，使学生的概括和整理知识的能力、记忆能力、分析和解决问题的能力以及学习物理的自觉性和主动性都有较大提高. 而且由于揭示了物理知识的内在联系，促进学生对物质世界的多样性和统一性的认识等，有利于形成学生辩证唯物主义世界观.§2物理复习教学复习的方式大体上可以分为平时复习、阶段复习和总复习三种. 平时复习在教学过程中是贯彻始终、随时进行的，如引入新课前复习与新课有关的旧知识，讲授新课后用习题、阅读、作业等形式进行复习；阶段复习是按教材系统,在讲授的一定阶段后进行的小结性复习，如整章复习、单元复习、期中复习，以及期末复习；总复习一般指学年复习，初中结束前和高中结束前的复习，它带有对物理学学科的综合性复习性质，使学生对整个物理学的内容形成一个有机的整体，并能前后联系，融汇贯通. 复习课的进行同样要遵循一般的教学原则，要立足于巩固知识、培养能力.复习课进行之前，教师一方面要努力领会教材编者的编写意图，尽可能清晰地理出教材的线索和内在联系；另一方面要了解学生的学习情况，掌握学生存在的问题，搞清存在这些问题的原因，以便有针对性地进行复习；此外，还应注意，复习课的教法应与讲授新课的教法有所区别，要能够做到在短短的一两节课里，高度概括地总结出一个篇章、一个段落以至更多的内容. 在复习过程中，要抓好以下三个问题.1 .突出重点，狠抓关键，打破原教材的章节界限，按知识的内在联系，重新科学地组织教材，要使学生获得完整的知识例如，关于质点运动学知识，一般是从定义质点、确定位置和位移开始的，分节讲述了运动的各种情况，在每种情况里都要讨论描写运动的物理量，给出相应的数学表述. 讲解力和运动联系之后，进而讨论曲线运动的情况. 作为教学的循序渐进，这是必要的. 但是，在进行这部分知识复习时，可重新组织、安排. 应突出位移、速度、加速度的概念和匀变速运动，以及如何分析物体（ 质点）做什么运动.应使学生明确：描写一个物体（ 质点）的运动，必须知道位置变动的情况、变动的快慢和方向，速度变化的快慢等. 位移、速度、加速度就是分别从不同角度来描写物体运动的物理量. 关于质点运动的知识，要求学生掌握：（ 1 ）位移.位移是描写物体在空间中位置变动的大小和方向的物理量. 位移具有方向性，既有大小又有方向，是一个矢量. 它和路程是两个不同的概念. 路程是在一定时间内，物体所经路径的总长度；而位移是在这段时间内，从起始位置引向终止位置的有方向的直线段.如果物体从A点出发沿A C B路径到达B点，如图8 —1所示，则路程是A C+ C B ,而位移是A B ,大小等于A、B两点间的距离，方向从A指向B.如果物体的运动的轨迹是曲线，如图8 - 2所示，则 路 程 是 艇 ，而位移是A B .图8-1B图8-2如果物体在t i时刻的坐标为X ”在a时刻的坐标为X ”那 么X厂X I代表的是路程还是位移呢？答案应当是位移. 因为X「X I表示从3时刻到心时刻，物体位置变动的情况.X「X 1的数值表示位移的大小，如 果x「x > 0 ,表示位移的方向与X轴的正方向一致；如 果x「x<0,表示位移的方向与X轴的正方向相反.（ 2 ）速度.速度是描写物体运动的快慢和方向的物理量. 在任何相等的时间内通过的位移都相同的运动（ 匀速直线运动）中，位移与通过该位移所用的时间的比值为一恒量，即磊 二 恒 量这个恒量的大小可以反映运动的快慢，位移的方向表示运动的方向. 因此,这个恒量是描写物体运动快慢和方向的物理量，叫做速度，用符号v表示，即△ sv = △7 ,对于在任何相等时间内通过的位移不相同的运动（ 变速直线运动或曲线运动），通过采用分小段的办法，把变的看作是由许许多多不变的所组成；把曲线看作是由许许多多非常短的直线所组成，这样，匀速直线运动中的速度定义在每个小段内仍然适用.速度具有方向性. 速度与速率是有区别的. 速率只反映物体运动的快慢，是路程与通过该路程所用时间的比值；而速度是反映运动的快慢和方向，是位移与通过该位移所用时间的比值. 由于速度是矢量，所以，速度的合成与分解,应遵循平行四边形法则.速度具有瞬时性. 一般所说的速度，都是指即时速度，所谓匀速运动，实际上是各个时刻的速度都相同而已.（ 3 ）加速度.加速度是描写物体速度变化快慢的物理量. 在任何相等的时间内速度增量都相同的运动（ 匀变速运动）中，速度增量Av,与所用时间At的比值为一恒量，它反映了物体速度变化的快慢，叫做加速度，用符号a表示，即△va= △?,对于在任何相等时间内速度增量不相同的运动，通过采用分小段的办法,在每个小段内仍然可以运用上述的加速度定义.加速度具有方向性，其方向是速度变化的方向. 在直线运动情况下，加速度的方向可用正、负表示. 加速度的方向与规定的正方向一致时，a> 0;加速度的方向与规定的正方向相反时，aV O .但是，应当明确：a > 0 时，并不一定是加速运动，aVO时，也不一定是减速运动. 如果初速度v0>0,而 a > 0 ,即表示加速运动；如果初速度v .V 0 ,而 aV O ,也表示加速运动. 也就是说，加速度与初速度同号，为加速运动；加速度与初速度异号，为减速运动.加速度具有瞬时性. 一•般谈到的加速度都是指即时加速度. 所谓匀加速运动，实际上是各个时刻的加速度都相同而已. 平均加速度是各个时刻的加速度的平均值.物体在运动过程中，只要速度有变化（ 无论速度的大小有变化，还是速度的方向有变化），就有加速度.①速度的大小和方向都不改变的运动，是匀速直线运动，加速度等于零.②速度的大小改变，方向不改变的运动，是变速直线运动，有加速度. 由于是直线运动，所以加速度的方向总在该直线上.③速度的大小不改变，方向改变的运动，是匀速（ 率）曲线运动. 例如，匀 速 （ 率）圆周运动，就是这种情况，由于加速度的方向总是指向圆心，所以叫做向心加速度.（ 4）匀变速运动的特点.匀变速运动的特点是加速度为一恒量. 从动力学的角度分析，它是物体在恒力作用下的运动. 它可以是直线运动，也可以是曲线运动.匀变速直线运动包括匀加速直线运动和匀减速直线运动. 自由落体、竖直下抛是匀加速直线运动；竖直上抛是匀减速直线运动. 它们的特点是加速度 2=恒矢量，并且加速度和速度的方向都在同一直线上.平抛、斜抛是曲线运动. 在忽略阻力的情况下，物体在运动过程中，只受重力作用，它们的加速度是恒定不变的，即为重力加速度. 所以，它们也是匀变速运动. 可以把它们看作是水平方向的匀速直线运动与竖直方向的匀变速直线运动的合运动.匀变速直线运动的基本公式为v = v0+at,v-vo2+2as.式中a 是加速度，％是初始时刻（ t = 0 时）的速度，v 是 t 时刻的即时速度,s 是位移.匀变速直线运动的基本公式可以应用到许多情况，应用时要分析具体情况的特点，必要时要注意处理方法. 兹列表如下：运动的类型特 点 （ 或处理方法）匀速直线运动a=0匀加速直线运动自由落体运动竖直下抛运动取初速度v。

的方向为正方向，a>0取竖直向下为正方向，vo=O, a=g取竖直向下为正方向，vo>0, a=g匀减速直线运动竖直上抛运动取初速度V 的方向为正方向，a<0取竖直向上为正方向，Vo>O, a=-g平抛运动可以把它看作为水平匀速直线运动和自由落体运动的合运动斜上抛运动可以把它看作为水平匀速直线运动和竖直上抛运动的合运动斜下抛运动可以把它看作为水平匀速直线运动和竖直下抛运动的合运动（ 5 ）如何分析物体做什么运动.最简便的方法，是根据力和运动的关系进行分析.当物体（ 质点）不受力或所受合外力等于零时，即2 F = 0 时，物体静止或做匀速直线运动；当物体所受合外力不等于零时，可分为两种情况：①2 F = 恒矢量. 这口寸，由于牛顿第二定律得知2 = 恒矢量，所以物体做匀变速运动. 然而，具体做什么运动，还要由初始条件（ 初速度%）来决定.如果v 0 = 0 , 则物体做匀加速直线运动，运动的方向就是力的方向.如果v °WO ,就要看”的方向与合外力ZF 的方向的夹角0 而定：当 0 = 0 °时，即 v ° 的方向与2 F 的方向相同，物体做匀加速直线运动；当 0 = 18 0 时，即％的方向与ZF 的方向相反，物体做匀减速直线运动;当0 。

V 0 < 90 °或 90 ° < 0 V18 0 °时，如图8 - 3 所示的斜下抛和斜上抛的情况，物体做匀变速曲线运动.2 F W 恒矢量. 这时， 物体做变速运动. 在中学阶段，只讲了两种特殊情况:一个是物体所受的合外力大小恒定，方向随时改变，但合外力的方向总是跟速度方向垂直，这时，物体做匀速（ 率）圆周运动；另一个是物体所受的合外力的大小跟物体相对于平衡位置的位移成正比，合外力的方向跟位移相反，这时,物体做简谐振动.图8-3例如，一根不可伸长的轻绳，上端固定，下端挂一个质量为m 、带电量为+q的小球，把装置放在一个均匀电场E中. 把小球拉离平衡位置到A点，使悬线与电场方向平行，如图8 — 4 所示. 问释放后，小球从静止开始将做什么运动？E图8-4根据上述的分析方法，很容易得出正确的答案. 既然求小球的运动情况，选取小球为研究对象视为质点. 小球在A点共受两个力：竖直向下的重力m g 和水平向右的电场q E ,其合力为F , 如图8 — 5 所示. 所以小球在力F 作用下从静止开始沿力F 的方向做加速直线运动. 在悬线伸直之前， 这条直线上的各点（ 例如到达B点时），小球始终受两个力的作用， 且大小、方向均不改变. 因此，合力F 为恒力，在该恒力作用下，小球从静止开始将做匀加速直线运动，直到悬线伸直（ 即小球达到C点）时为止.图8-5当然，小球达到c点以后，除受重力和电场力外，还要受到绳的拉力，小球不再做匀加速直线运动.以上这种综合性分析，在平时分节教学中是难以进行的，只有通过阶段复习或总复习，才能使片断的知识系统化，能够比较全面地理解各部分内容之间的联系，便于对基本内容的进一步理解、巩固和运用.2 .要了解学生对概念和规律认识上的混淆不清的地方，有针对性地通过思考、讨论来澄清认识，弥补知识上的缺陷例如在一直线航 道 上 ( 参 阅 图8 —6) ,甲乙两地之间的距离跟乙丙两地之间的距离相等， 都 是3 5 0m .汽船从甲地到乙地用了 7 0s ,从乙地到丙地用了 5 0s ,可知：汽船从甲地到乙地的平均速度汽船从乙地到丙地的平均速度甲地 乙地 丙地t ~- - - - - --— —图8-6v2 =后= 7 ( m /s )，那么，汽船从甲地到丙地的平均速度等于多大呢？如果学生根据心= 宜•产 来 计 算 ，得-5 + 7v = —— = 6 ( m / s ),则是错误的.引导学生根据平均速度的概念来考虑：2 X 3 5 0v =------7 0 + 5 0= 5 .8 3 ( m / s ).最后，如果给学生指出为什么不能根据6 =生 产 来 计 算 ，在什么情况下才可以按它来计算，使学生明确它的含义及适用条件，则效果更好.再如，天平的左边托盘上放着一个盛有半杯水的容器和一个木块( 木块表面涂有防水涂料)，右边托盘上放有祛码，使之平衡，如 图8 — 7 ( a )所示；问若把木块放入杯中，如图8 — 7 ( b )所示，天平的平衡是否被破坏？(a) (b)图8-7这个问题涉及到重力，支持力，浮力，作用力和反作用力，以至内力和外力等一系列概念.如果对这些概念混淆不清，很容易误认为木块放入水中后，由于受到向上的浮力，从而天平的左边托盘受到向下的压力减小了，所以破坏了天平的平衡.事实上，这个结论是错误的.要知道，根据牛顿第二定律，水给木块向上一个浮力的同时，木块也给水一个向下的反作用力.因此把木块放入水中后，不改变对左边托盘的压力，从而，不破坏天平的平衡.还如，有一根粗细不均匀的木头，如 图8—8, C点为重心，若在重心位置支撑起来，则木头平衡.如果在重心处把木头锯成两段，这两段的重量是否相等呢？很多同学会不加思索地脱口而出说“ 相等”，当 追 问 “ 为什么相等”时,学生会回答： “ 不相等，怎么能平衡呢？ ”这种思考题虽然很简单，但包含着深刻的物理意义. 针对学生的回答，教师应指出学生的错误在于没有从基本概念出发. 不均匀木头的平衡是一个有固定转轴的物体的平衡问题，应用的是合力矩等于零的原理. 从图上可以看出，以重心C为支点，两段木头各自的重心到支点的距离一般是不相等的，若此时两边重量相同，则结果是两边的力矩不相等，木头不能平衡；而题目给出的条件是木头平衡，所以两段的重量是不相等的.图8-83. 恰当地编选练习题、供学生练习一般在每节课后都要布置一些简单的基本练习题；在学习每一章或某一单元后，则应增加一些略难些、带有小综合性的练习题；在总复习时，应突出重点，再增加一些跨章节的综合性练习题.练习题的形式可以多种多样，一般有思考题、辨别是非题、选择题、问答题、讨论题、作图题、实验题、证明题、程序练习题、计算题、综合题，等等. 不论什么形式的练习题，其根本目的是通过它来巩固、深化、活化基本概念和基本规律，并从中总结、提高分析问题和解决问题的能力.在编选练习题时，不应片面追求数量，不搞题海战术，不出偏题、怪题，更不应片面地追求高难度的繁杂计算题、综合题. 应当根据教学的需要、教学原则和练习题的目的来选编.下面，根据上述精神，列举儿个练习题，来说明它的作用.例 1 汽车在平直公路上以速度v = 1 0 m / s 匀速行驶. 当发现远方有障碍物时开始刹车，以a = - 0 . 2 m / s ? 做匀减速运动，试求从刹车时开始计时，I m i n 后汽车前进多远？这是一个计算题，其目的主要有二：第一，培养学生在解决问题时，必须要注意分析物理过程，扭转学生乱套公式的坏习惯.因为已知v °= 1 0 m / s , a = - 0 . 2 m / s2, t = 6 0 s , 所以，学生很容易根据s = v0t + - ^ a t2,得出s = 1 0 X 6 0 4 X 0 , 2 X 3 6 0 02= 2 4 0 ( m ) .实际上，这个结果是错误的. 要知道，在这个题目中，经过分析，从刹车时开始计时，只用了 5 0 s 汽车就已经停止不动了. 显然，用 t = 6 0 s 代到公式中，必然出现错误.正确的结果是s= 1 0 X 5 0 4 X 0 . 2 X 2 5 0 02= 2 5 0 ( m ) .第二，加深对位移概念和公式的理解.根据以上计算得知，用 t = 6 0 s 计算，结果得2 4 0 m ；用 t = 5 0 s 计算，结果是2 5 0 m . 为什么用时间长计算的结果数值小，而用时间短计算的结果大呢？通过跟学生一•起讨论，可以加深对位移和位移公式的理解.例 2 有三个底边相等（ 长为1 ）,与地面倾角分别为3 0 ° , 4 5 ° , 6 0 °的光滑斜面，斜面顶端各放一个质量为m的相同的物体，如图8 —9 所示，同时从静止释放三个物体，问哪个斜面上的物体先到达底端.图8-9这是一个有趣的、带有计算的讨论题，其目的是纠正学生思维推理错误，引导学生正确地分析解决问题.A斜面倾角为3 0 ° , B 斜面倾角为4 5 ° , C 斜面倾角为6 0 ° .显然，根据物体沿斜面方向的加速度a的大小来看，C 斜面上的物体加速度最大，然而，从三个物体经过的位移（ 斜面长度）来看，C 斜面上的物体的位移最大，因此，不能简单地做出判断. 如果认为两者效果相互抵消，回答三个物体同时到达各自斜面的底端，则是错误的，正确的分析应当是：首先，求沿斜面下滑的加速度，取物体m为研究对象，它受两个力：竖直向下的重力m g 和斜面支持力N , 它们的合力为m g s i n 。

方向为沿斜面向下，如图8 - 1 0 所示. 根据牛顿第二定律得m g s i n 9 = m a ,所以 a = g s i n 9 .再表示物体从斜面顶端到达底端的位移1cose根据运动学的位移公式5 =（ 卡得到-s i n 8 tc o s y 2所以有=J 4 1t V g s i n 2 8可见：当 9 = 4 5 ° 时，s i n 2 0 = l , t 值最小;当e = 3 0 =6 0 °时，s i n 2 0具有相同的数值，且s i n 2 0

电阻分压结果可知U ”仍为2V.如果题中在B、D 间再连接一个任意阻值的电阻R , 如图8 —1 4 所示，电压表读数又为多少？本来， 这已属于复杂的网路计算了， 但由于B 点的电势与D 点的电势相等. B、D 间连接电阻与不连电阻的效果是一样的，所以结果仍为2 V .经过这种变化，对学生来说，既学活了知识，又扩大了眼界，提高了解决问题的技巧.例 5 步枪子弹需要装多少火药，才能使9 . 6 g 的子弹射出枪口时具有8 8 0 m/ s 的速率？步枪的效率是3 0 % , 火药的燃烧值为3 . 7 8 X 1 0 "J / k g .这种题目需要有好儿步解题过程，因此可以用分析或综合两种方法求解.首先，用分析法求解：由M= &（ M是所求弹药质量，Q 是弹药发出的总热量，q 是火药的q燃烧值），于是，问题转化为求Q ；而n（ Q i 是有效热量，即转变为机械能的热量），于是，问题转化为求Q , ；根据热能和机械能的相互转换，我们需要求得由热能转换而成的子弹的机械能，即-1 2E = — m v ,式中m为子弹质量，然后由Q产E ,求得Q , 于是问题得到解决.第二次用综合法求解：子弹离开枪口时的动能相当于火药在枪筒中所做的功,即A = E =这个功相当于多少热量呢？而机械效率n=o. 3 , 所以火药燃烧的总热量应为Q需 m /Q首-- q- - 2T] ,于是，从弹药的燃烧值得到弹药的质量乂 = 色 旦 = 黑 求 得 结 果 .q 2nq通过这类例题应使学生认识到，对于解决物理问题来说，分析法和综合法是相互联系，相互一致的，但针对不同的具体问题，有的用分析法步骤清楚，有的用综合法计算方便，有的甚至需要两种方法结合使用.最后，应当指出，教师在编选例题、练习题时，必须反复推敲，必要时还应在实验室里做•做实验，检验它是否符合实际. 计算题中的给定的数字必须合理，也需多次运算，否则，将会出现科学性错误.第九章物理教学测量与评价物理教学测量与评价，是运用各种手段和统计方法对学生学习的成就、教师完成教学目标的程度，给予数量或等级的描述，并做出科学的判断. 它不仅具有检查教学效果、鉴定物理教学质量的功能，调整和改进教师的教学工作、控制和激发学生学习行为的功能，而且具有导向的功能.§ 1 常用的测量方法教学测量的内容，不仅包括知识、技能，也包括兴趣、态度、思想行为表现. 由于不同的内容具有不同的特点，所以，测量不同的内容应该分别采用不同的测量方法（ 如 表9—1）.常用的教学测量方法有观察法、问卷法和测验法.表9-1评定的内容采用的主要方法学习物理的兴趣实事求是的科学态度独立思考和创造精神思想行为表现观察法、 问卷法观察能力与实验操作技能观察法、测验法知识的理解和运用能力的体现测验法1 .观察法观察法是以观察学生的某种行为表现，如实地做出记录，由此判断学生达到某种等级水平的方法.由于人的注意力范围有限，一个人不可能同时观察到许多学生在一种活动中的所有行为表现，因此，只能逐个地对学生在一个或多个活动中的行为表现,分别如实地做好记录.例如，用观察法评定学生个人的实验操作兴趣水平，可以设计 一 份 “ 实验操作兴趣行为表现观察记录表”，如 表9-2所示.表9 - 2实验操作兴趣行为表现观察记录表学校 班级 姓名 日期记录说明：1 .操作内容，填写实验操作课题的名称；II .行为表现档1〜10的数字，分别表现的行为如下：1 .无精打采，应付操作；2 .激动、兴奋、随意摸摸、动动;3 .看别人操作，记录结果;4 .按规定的步骤、方法操作；5 .遇到困难时，放弃操作；6 .遇到困难时，求助他人；7 .遇到困难时，自己解决试试；8 .自愿重做一二遍；9 .积极思考，寻找问题；10 .自己想办法，提出改进操作方案.III.在 上 述10种行为表现中，有哪种表现就在下表相应数字栏内划“ J .根据一个学生在多次实验操作兴趣方面的行为表现，可以评定该学生的实验操作兴趣的等级水平. 也可以间接地评定学生实事求是的科学态度和作风.2 .问卷法问卷法是通过书面提出问题，调查所要了解的情况，从而取得资料和数据,判断某种行为的等级水平.问卷法可以同时对很多学生进行，并且在较短的时间内获得大量的资料和数据，更适合于评定集体的某些行为的等级水平.问卷法最重要的目的在于探察内情. 把问卷法与观察学生外部行为表现相配合，可以提高评定的准确性和可靠性.例如，用问卷法评定学生实验操作兴趣水平，可以设计一份完成实验操作情况调查表，如表9一3所示.表9 - 3学生完成实验操作状况调查表学校名称_ _ _ _班级 姓名_ _ _ _ _ _填表说明:I .难度——实验操作的困难程度. 填写下列符号之一：①很容易；②比较容易；③一般；④比较难；⑤很难.II .实验类型，填写下列符号之一.①在课内做的；②在课外有组织地做的；③完成作业做的；④课外自愿做的 .III .完成质量. 填写下列符号之一：①设想过，也没做过；②想了想该怎么做，没亲自动手；③没有做完或没做成功：④做成功了.实验操作内容难耍实验类型完成质量1 .打开地图册， 沿铁路线测量北京到广州的路程2 .自制一个杠杆3 .取一个盛满水的杯子， 用硬纸片把杯口盖严， 手按住纸片把杯子倒过来放开手，看看纸片是否直的不掉下来.4 .按课本上提供的方法， 研究液体内部压强和深度的关系5. 做一个模拟实验， 或实际测一测夜晚灌水的秧田的水温及附近土地的温度，证明水的比热比泥土的大6. 移动蜡烛和光屏， 研究凸透镜成像的规律7 .用放大镜看书，并研究镜与书的距离，变化时看到的各种现象8 .自己设计一个可以控制小灯泡亮度的电路，并连接 它 试 •试问答：(1 )如果教师不要求，你愿意在课外做这8个实验吗？想做哪个？(2 )除表中列出的实验操作内容以外，你曾做过哪些内容的实验操作？请按上述的格式填写出来.3 .测验法测验法是通过选择具有代表性的一组试题，对学生施测，然后根据解答结果评定分数确定等级水平的方法.测验是测量最常用的一种手段，试卷是测量的工具. 测验可以根据不同的分类标准加以分类.按测量的对象分类，可分为学业成就测验、智力测验、技能测验、创造力测验等.按测验的功能分类，可分为难度测验、速度测验、诊断性测验、形成性测验、终结性测验等.按参照标准不同，可分为目标参照测验和常模参照测验.( 1 )目标参照测验.目标参照测验，是以教学大纲中规定的教学目标作为参照物. 用以检查学生达到教学目标的程度，即检查学生是否达标和达标的程度，因此，又称为达标测验，或资格测验.目标参照测验的分数分布曲线，可以呈正态分布，但与最大百分比人数相对应的分数并不一定等于平均分数；也可以呈偏态分布，即多数学生的成绩都集中在分数高的一侧或分数低的一侧，如 图9 - 1所示.0102030105060708090100^ 0 m 130coi6CTO809Q100 分嬴图9-1( 2 )常模参照测验.常模参照测验，是以学生团体中的平均分数作为参照物. 所谓常模，简单地说，就是在一次测验中所得的平均水平. 常模与目标不同， 目标是教学的目的、要求，是学生应该达到的程度；常模是学生们实际上达到的平均程度.常模参照测验用于学生之间的相互比较，检查学生在所处团体中的相对位置. 为 了 分 班 、分组进行的测验、物理竞赛测验、升学考试等都是常模参照测验.常模参照测验的分数分布曲线应呈正态分布，即得分在平均分数附近的百分比人数最大，高分和低分两端的百分比人数越来越少. 如图9 — 2.§ 2 物理测验的编制测验，是测量某种行为样本的•种程序. 任何一个测验中的题目，都是所有可能题目总体中的一个样本，这个样本的代表性如何，又都取决于所选择的题目的质量和数量，因此，编制测验，必须按照一定的程序，根据测验的目的选择具有代表性的行为样本，并作出施测的明确规定和公正的评分标准.物理测验的编制，一般分为如下六个步骤.1 . 确定测验目的和目标编制测验，必须明确测验的目的，是属于目标参照测验，还是属于常模参照测验；要确定测验的内容取样范围，还必须确定测验的行为目标，即测量目标.制订测验的行为目标，主要应当满足下列原则：①对应性.测验目标应当与教学大纲中规定的教学要求相对应. 制订测验目标应以教学大纲或考试大纲为依据，应当满足于教学大纲或考试大纲的规定和要求.②可测性.各项测验目标都应当能用学生的行为予以说明和解释，并能根据它来进行命题.③排它性.测验目标可以有多项，但各项之间必须有明确的界限，易于区分.④可行性.具体的测验目标，必须便于教师掌握，不仅要简易切实可行，而且要满足有效和可靠这两个基本要求.物理测验的目标及其含义如表9 - 4 .表 9 - 4 认知行为目标及其含义认知行为目标含义记忆能正确回忆学过的知识，反映记忆力和简单模仿、识别的能力理解、判断能初步领会所学知识（ 包括实验原理）的主要特征及条件，反映学生的观察能力，分析、概括和判断能力简单应用能直接运用所学知识，说明解释现象，计算简单问题或实验中的技术问题，反映初步的分析、解决问题能力和初步实验操作技能.推理能够从许多个别判断归纳出一般的规律，能够从一知的一般规律演绎出个别的规律，反映归纳推理和演绎推理能力综合应用能在涉及两类以上知识内容的复杂情境中分析和解决问题2 . 确定试题的形式测验的试题形式一般分为两大类：客观型试题和主观型试题. （ 1 ）客观型试题.客观型试题的形式很多，在物理测验中常用的有以下两种：①填空题填空题通常以一句话，略去其中的一些词语或数字，留出一处或儿处空白，让学生把空白填补起来，达到文意完整.填空题属于再生式客观试题，侧重于知识记忆的考查，也可以考察知识的理解和简单应用.例如，利用单摆测定重力加速度的实验所根据的原理公式是—，在该实验中需要直接测量的物理量是 .又如，有大小分别为4 、9 、1 1 N 的三个共点力，它们彼此之间的夹角可变化，则它们合力的最大值是 N , 最小值是 N .编写填空题时，必须使学生明确和理解题意. 因此，空白不可太多，填空的词语、符号、数字等答案应尽量简单，且符合唯一性原则.②选择题选择题通常是由一个问题与儿个备选答案构成，让学生根据要求选择其中正确的一个或几个答案.选择题属于再认式客观试题，适用于考查知识的理解和简单应用.例如，在图9 ―3 所示的电路中，合上开关S 后:A .电流表读数变大,B .电流表读数变小,C.电流表读数变小,D .电流表读数变大,电压表读数变大.电压表读数变小.电压表读数变大.电压表读数变小.又如，在图9 —4所示的电路中，当合上开关S后，发现两个小灯泡（ 均标有“ 3 V、l w " ）均 不 发 亮 . 用 电 压 表 测 得6 V .如果各段导线及接线处均无问题，这说明：A .灯 泡L的灯丝断了;B .灯 泡L ?的灯丝断了;C.可变电阻器的电阻丝断了;D .开关S未接通.再如，指出图9 ―5所示的哪些情况中，a、b两点的电势相等，a、b两点的电场强度矢量也相等.A . 平行板电容器带电时，极板间除边缘附近外的任意两点a b ；B . 静电场中达到静电平衡时的导体内部任意两点a 、b ；C . 离点电荷等距的任意两点a 、b ；D . 两个等量异号的点电荷，在其连线的中垂线上，与连线中点等距的两点a 、b .设计选择题时，在内容方面要求所配的备选答案应有似真性、逻辑性，在文字叙述方面要求避免有所暗示.总之，客观型试题的答案简短，评分客观.每题的内容单一，但题量可多,内容覆盖面广，有助于提高测验的效度和信度.主要缺点是学生对选择题可能任意猜测，特别是不能考察学生较高层次的能力，如学生的独立见解和创造能力，以及综合性的灵活应用.（ 2 ）主观型试题.主观型试题的形式也很多，在物理测验中常用的推理论证题，综合应用题（ 含实验设计方面的设计性题，计算题）.例如， 有两只电压表A 和 B , 量程已知，内阻不知等于多少.另有一干电池,它的内阻不能忽略，但不知等于多少.只用这两只电压表、开关和一些连接用导线，能通过测量计算出这个电池的电动势（ 已知电动势不超出电压表的量程,干电池不许拆开）.①画出你测量时所用的电路图；②以测得的量作为已知量，导出计算电动势的式子.表 9 - 5试题的形式考杳的认知行为填空题记忆、理解、简单应用选择题判断、理解、简单应用推理论证题理解、综合应用设计性题计算题理解、简单应用、综合应用理解、简单应用、综合应用这个题目的正确答案不是唯一的，儿种方案都可以是正确的.可见，主观型试题的答案由学生提供，学生可以表述自己的观点和创见，能够考察学生较高层次的能力.其主要缺点是评分比较困难，带有主观性，从而影响测量的效度和信度.一次完整的物理测验，应当包括以上所述的几种形式，这对全面考察学生的认知行为是有益的.试题的形式与其考查的认知行为通常如表9 - 5 所示.3 . 制订编题计划为了科学、合理地进行测验， 应根据测验的目的和目标，制订编题计划. 编题计划可用测验的双向细目表表示. 它包括三个方面内容.（ 1 ）取样范围.它说明在什么知识内容范围内取样，各占的比例是多少.（ 2 ）行为目标.应当说明考察什么认知行为目标，各占的比例是多少.（ 3 ）试题形式和难易程度.如果试题采用三种形式：选择题（ 用符号A表示）、填空题（ 用符号B 表示）、计算题（ 用符号C 表示），则还需要规定它们的数量及所占的分数. 例如，选择题1 0 个小题（ 其中包括实验内容2 个小题），每小题3 分，共占3 0分；填空题1 0 个小题（ 其中包括1 个实验内容的小题）. 每小题4分，共占4 0分；计算题3 个，每题1 0 分，共占3 0 分，此外，每小题还应设计一定的难易程度，一般分为难题（ 用符号D 表示）、中等题（ 用符号M 表示）、容易题（ 用符号E 表示）. 整个试卷中，难题、中等题、容易题的得分比例，一般常模参考测验以2 ： 5 ： 3为宜. 一般达标测验以1 . 5 ： 2 . 5 ： 6为宜.以高中力学知识测验的双向细目表为例，来说明编题计划的内容：表 9 ~ 6 ：取样范围行为目标了解理解简单应用综合应用题型和难易程度一、力、物体平衡B ( E)B ( M )A ( E)1 1 %二、直线运动B(M)A(E)7%三、运动和力A(E)A(M)B(M)C(D)20%四、物体的相互作用A(M)B(M)C(D)17%五、曲线运动万有引力A(M)B(E)A(M)10%六、机械能B(E)A(M)B(E)C(M)21%七、振动和波A(E)A(M)B(M)B(M)14%214%35%31%20%100%4 .编选题目根据所制订的编题计划编选题目.编选题目的数量，最好超过所需题量的2〜3倍，以供筛选. 具体的题目，可以自己编写，也可以在成题中选择.题目编制之后，最好经过试用，至少也要经过试做，并要认真进行分析. 除了按上述的编题计划（ 双向细目表）进行分析外，还应对每个题的难度进行估计.难度估计可根据该题目能够通过人数占总人数的百分比来表示. 如果估计能通过的人数占总人数的8 0 % ,则难度可定为0.80.5 .集合成测验试卷编排测验试题的顺序要合理，一般应当由易到难. 这样可以减少被测者的精神压力，从而提高测验的可靠性.编制测验试卷，一般应有正题、副题，以及补考题等. 儿份试卷应当等价,为此，可先将经过试用和分析确定合格的题目，按范围、项目、难度排队，并标1、2、3、…的顺序. 如果把合用的题目分成三份， 其分配顺序可如下表所示:第一份试1 6 7 12卷—第二份试2 5 8 11卷—第三份试3 4 9 10卷一6 .将测验科学化、标准化一套好的题目，只是一次好的测验的一个先决条件，并不一定是一次合格的、良好的测验. 为此，必须要控制无关因素对测验目的的影响，这个控制过程，叫做科学化、标准化. 主要的要求是：①在内容上，必须对受试者施测相同的或等价的题目；②施测时，要求测验条件、物理环境相同，要有统一的时间限制，无论对被测者，还是对监试者，必须要有统一的指导语，防止任何启发，提示性的动作.③评分上，尽量做到客观评分，排除主观因素的干扰. 为此，必须编写出试题的标准答案或几种可能解答的参考答案，并标明评分的标准.做好上述六项工作，就完成了物理测验的编制工作，写成书面材. 料，编写说明书，可交付使用.§3物理测验的评价1 .测验与评价中的几个基本概念学生通过测验所得的分数称为原始分数，一个被测团体的原始分数是一组杂乱无章的数字. 要客观地评价学生成绩，评价测验和测验题的质量，就必须对原始分数进行统计处理和分析解释.（ 1 ）次数分布表与频率分布表.①次数分布表. 测验结束后，我们常常将各分数段和人数列表统计，如 表9一7所示. 这样的统计表就是简单的次数分布表，这种分数在各个分数段的散布情况叫做次数分布.表9 - 7 1 0 0名考生的分数次数分布表分数段85'8980'8475~7970'7465~6960飞455-5950'5445~49人数2615212918531②频率分布表. 利用上表给出频率分布表. 这里的所谓频率即某一分数段上的人数所占总人数的比例. 见表9—8.表 9 - 8 1 0 0 名考生的分数频率表数段分~8985'8 180~7975~7470飞965'6460~5955'5450~4945率频020.060.150.210.290.180.050.030.010.③正态分布曲线. 利用频率分布表可以制出如图9 - 6 的分数频率分布图. 图中虚线为近似正态分布曲线. 严格的正态分布曲线如图9一7 ( a ) 所示.大量实验证明，人的能力符合于正态分布. 也就是说大量考生的分数分布从整体上看总是近似于正态分布的. 但对于目标参照测验，如果出现正偏态，如图9一7 ( b ) 所示，或出现负偏态，如图9一7 ( c ) 所示，也都是可能的.1频率(a)正态分布图9-kt频率 kf频率攵 分数 分数G )偏 正 态 分 布 负 偏 跌 分 布7常见的三种分布曲线( 2 ) 集中量数和差异量数.频率分布表为我们描述了分数集中趋势和离散程度，即这群考生的一般成绩如何，成绩差异多大. 这就是分数分布的两个基本特征. 集中量数和差异量数就是用数字形式对这两个特征加以概括和进行描述.①集中量数. 描述分数向某点集中的趋势的量数称为集中量数. 在教学测量中最常用的集中量数是平均分数. 它是全体分数的代表值，可以用来描述被测团体的水平，并能在不同团体间进行比较，平均分数的计算公式如下：X = 2 ^ X i /Ni=l式中文代表平均分数；4代表第1个考生的分数；N代表团体总人数.如果被测人数很多， 即N很大时， 利用上式求平均分数较繁， 且易于出错. 这时，可用次数分布来计算平均分数. 其方法如下：由各分数段的组中值充当各分数段中原分的代表值，即以各分数段的组中值来代表实际得分（ 注意：只有当N很大时，这种统计观点是可行的！），得:flX c ]+ f2 X c 2 + … +% XcN二—- - - - - - - - - - -ZfXcN例如，一次物理测验取得数据，其中值与人数统计如下:分数区间中值Xc人数f0〜94.5010-1914.5220 〜2924.5530 〜3934.51040 〜4944.51650 〜5954.52260 〜6964.51870 〜7974.51280 〜8984.5690 〜100951其平均分数为:2 X 1 4 . 5 + 5 X 2 4 5 + 1 0 X 3 4 . 5 + … + 1 X 9 52 + 5 + 1 0 + - + 1= 5 5 .②差异量数. 平均分数仅代表了分数的集中趋势，它并不能描述分数的离散程度，所以单纯用平均分数来描述被测团体的水平是不完善的. 例如，甲、乙两班学生各5 0人，其物理测验平均分数为7 0分，但甲班最高9 6分，最低分为4 0分；而乙班最高分为8 0分，最低分为6 0分. 显然，这两班学生的物理水平是不同的，差异量数就是用来描述分数的离散程度的. 差异量数包括全距、平均差以及标准差等.a .全距. 全距表示一组数据中的最大数与最小数之差，用符号R表示. 在上述的三个小组数据中：A组：XA = 5 0 ； RA = 2 0 .B组：天B = 5 0 ； RB = 6 0 .C组：Xc = 5 0 ； R c = 8 0 .这是表示差异的一种方式，其优点是计算简便. 但，由于中间数据未完全起作用，从而结论不能说明过多的问题，只能反映差异的大致情况.b .平均差. 每个变量（ 例如每个人的分数）与平均数的差，叫做离均差，用符号x表示，即x = X-X.各个变量的离均差的绝对值的平均值，叫做平均差，用符号A D表示，即|X1-X|+|X2-X|+-+|XN-X|陋 - - - - - - - - - - - - - -N-----------------Zx=----N ・例如，在上述三个小组情况下，A组：X = 5 0 sR = 2 0 ；—1 0 + 1 0 + 0 + 0 + 1 0 + 1 0AD =- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - =6 . 6 7 ,B组：X=50； R = 6 0 ； AD = 2 0 .C组：X = 5 0 ；R = 8 0 ； A D = 3 0 .c.标准差. 计算平均差，由于需要取离均差的绝对值，从而不符合代数运算法则. 为了便于运用统计分布计算，可先将各个离均差自乘以取消负号，再将各个离均差的平方取平均值，最后再开方，所得数值叫做标准差，用符号S表示，即s俘利用上式计算标准差，必须先求出平均数，如果直接利用原始分数计算也是可以的.x2= (X-X) 2 = X2 -2XX+X2.ZX2 = EX2-2XX + ZX2.又因为ZX = N^, ^X2 = NX2,则^X2 = 2 ： X2- 2 N X2+ N X2= Z：X2-N X2.将此式代到标准差S的定义式中，得到tex2 fEx）2s = h r - h d ・利用标准差来表示差异情况，应用极为广泛.目前，有一种记分方法，以标准差为单位，表示一个分数在团体中所处位置的相对位置，叫做标准分数，用符号z表示，也称为Z分数，即r X-X XZ = —S S标准分数反映了一个学生的成绩在全体学生中所占的地位. 标准分数可得正值，也可得负值. 负值表示该学生的成绩在全班平均成绩以下.（ 3）相关.二列变量之间的相互关系，叫做相关.如果一列变量变动时，另一列变量也发生变动，而且变动的方向相同，则这两列变量是正相关.例如，两次测验，组内成员得分情况如下:成员第一次测验成绩（ X变量）第二次测验成绩（ Y变量）1X i =7 5丫 尸632X2=7 0Y2=603X3=63Y3=554X4=60Y4=525X5=40Y5=30可见，两次测验成绩属于正相关.如果一列变量变动时，另一列变量也发生变动，而且变动的方向相反，则这两列变量是负相关.例如，身体健康情况与发病率，就属于负相关.再如，如果两次物理测验的成绩如下表所示,成员第一次物理测验成绩（ X变量）第二次物理测验成绩（ Y变量）1X i =7 5Y i =302X2.7 0Y2=523X ^ 63丫 3=554X 尸 60Y I =605X5=40Y5=63则这两次物理测验是负相关.它说明了测验结果的稳定性极差，它们不能反映学生的真实水平，从而测验是完全不可相信的，即信度极低.以上两个方面的例子，是属于两个极端情况，实际上，同一学科的两次测验，或任意两门学科测验成绩，总是有相互关系的，只是相关的程度不同而已.两列变量X、Y之间的相关程度，用相关系数r表示.相关系数的计算公式为Sx yr = N S’ S.，式中x = X - ^； y = Y -V； Sx是X变量的标准差，Sy是Y变量的标准差，即如果用原始分数来表示，上式亦可写成N S X Y - Z X Z YJBSX2 - (Z X )2 • 1NZY?-② Y)2 .例如，10名学生的物理考试成绩和数学考试成绩如下表，求它们相关系数.学生物理成绩X数学成绩YXYX2Y2190807200810064002806048006400360036020120036004004501050025001005100505000100002500640104001600100740401600160016008706042004900360097050350049002500102020400400400N=10SX=6202Y=400SXY=28800SX2=44000SY2=21200根据相关系数公式，得_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 10 X 28 8 0 0 - 620 X 40 0J l O X 440 0 0 - ( 620 )2 • 7 10 X 2120 0 - ( 40 0 ) ^= 0 .7 4.这里， 应当指出： 相关系数的计算， N的数值一般应在30 以上， 才有意义.以上举例只是为了说明计算方法.自然，N的数值较大时，手工计算是很繁琐的，一般利用计算机计算是极为简单的.2 . 物理测验的评价科学地评价考试质量，主要反映在四项指标上：信度、效度、难度和区分度.（ 1）信度.信度是测验的可靠性指标，它反映测量的稳定性程度.具体地说，是指两次测验关联的程度.一次测验，怎样计算信度呢？通常是将一次测验的试卷，等值地分成两半，相当于两份试卷，也就相当, 两次测验.这样，前一半的分数，以变量X 表示，后一半的分数以变量Y 表示.首先，根据上一节介绍的相关系数公式，计算出相关系数r , 即r = -N ZXY-Z X ZY— - -JNZX」_ （ EX） 2, JNZY? _ （ £ 丫） 2其次，再根据公式2r计算出网数值.这个数值就是信度的数值.信度值在0 . 8以上为基本合格.影响信度的因素主要有:①评分的随意性.如果任意地、毫无标准的评分，则测验的结果是不可靠的，自然，信度值会很低.因此，要尽量排除主观随机因素，最好是客观评分.②题量，即题目的数量（ 在教育测量学中叫做测量的长度）.由于随机误差有的为正值，有的为负值，如果题量很多，相加起来就可能将随机误差的影响相互抵消，从而可靠性增强，即信度高.如果某次测验的题目数量较少，信 度4低 . 为了提高信度，使其达到则应增大题量. 设增加后的总题量与原题量的比值为K ,则有g =「KK（ 1 - ）rxx- rKK）例如, 某次测验的信度州=0的4 ,为了提高信度，使其达到r『0次0 ,则根据上式计算，得知0.64X（ 1-0.80）这表明，应当将原来的题量增加1倍多. 如果原题量为12个题目，则今后应增到27个题目.（ 2）效度.效度是测验的准确性指标. 一•般来说，主要分析内容效度. 要保证测验具有较高的内容效度，应当像本章第二节中所介绍的那样编制测验.如果编制测验时没有列出双向细目表，则在测验后进行评价时，应当根据试卷的实际情况，列出双向细目表，进行分析：①试卷内容的覆盖面如何？②各级行为目标所占的分数比例是否恰当？③各个题目的内容是否合理？是否与要求相符？（ 3）难度.难度是指每个试题的难易程度. 难度值的计算比较简单.对于选择题来说，以被测者答对（ 或通过）某个题目的人数与总人数的比值，作为该题目的难度数值. 设N为被测的总人数，R为 答 对 （ 通过）的人数，则难度这里应当指出，P值越大，说明难度越小. 为了与习惯上统一，也可以用另一种表示，设难度为H ,定义为H T - ?这样定义以后，H值越大，难度就越大.对于一般非选择型题目，可用某个题目所得的平均分数X与该题满分文满的比值，来计算难度的数值，即X或一般说来，难度值在0.4〜0 .6为适中.H值在0.7〜0 .9范围内为较难；在0.3 〜0 .1范围内为较易. 所以题目的难度的平均值，应在0 .5左右为宜.（ 4）区分度.区分度是指每个试题对考生的水平（ 或能力）区分开来的程度. 一种测验的区分能力越大，区分度越高.计算区分度的方法有特征曲线法、相关法、鉴别指数法等. 一般常用两极端组通过率的差异作为区分度的指标.首先，将被测者的试卷，按总成绩的高低依次排列. 取出27%高分数的试卷 ,作为高分组（ H）；再取出27%低分数的试卷，作为低分组（ L） .然后，分析每个试题的区分度（ 区分度的数值用符号D表示）：对于选择型题目，区分度计算式为_ RH - RLD-------------式中R“ 和R分别为高分组和低分组中答对（ 通过） 某个题目的人数，n为高分组或低分组的人数（ n=NX27%）.对于非选择型题目，区分度的计算式为D= MLrra式中国和天L 分别是高分组和低分组某个题目的平均分，X 恰是该目的满分.美国伊贝尔(L - E b e l ) 提出对试题评价的区分度指标，如下表所示：区分度D试题评价0 . 4 0 以上优秀0 . 3 0 - 0 . 3 9良好0 . 2 0 - 0 . 2 9尚好，但须修改0 . 19 以下劣，应该淘汰一般说来，难度适中的题目，区分度较高，难度太低的题目，所有受试者几乎都能正确回答，难度太高的题目，所有受试者几乎都不能回答，这样的题目区分度必然很低.一个较好的测验，其平均难度应在0 . 5 左右，各个试题的难度应显正态分布，这样，试题本身和整个测验才具有较高的区分度，分数分布才能是正态.§4 物理课堂教学质量的评价课堂教学质量的评价，是以课堂教学为对象，主要对教师完成课堂教学目标作出科学的判断. 也就是说，对教师的教学思想、教学内容、教学能力和教学效果作出一种科学的判断.课堂教学质量的评价目标，主要是：1 .教学目的根据教学大纲中规定的要求，考察教学目的是否全面、明确、具体，是否体现正确的教学思想.2 .教学内容在保证教学内容的科学性、思想性的前提下，考察对教学内容的处理情况:重点是否突出，主次是否分明；选择的材料是否有代表性、启发性和成果性；深度和分量是否符合多数学生可接受的程度.3 .教学方法考察采用的教学手段、方法是否合理，是否有针对性；能否体现师生双方密切配合，感情融洽；实验操作是否熟练、准确；语言表达、板书安排是否清晰，富有感染力和启发性.4 .教学效果考察大多数学生能否取得最大限度的学习效果，在学生负担合理的前提下,是否有助于学生思想素质、文化素质的提高.为了保证评价教学质量的客观性，评定的内容必须明确、具体，评定方法必须简易、可行. 为此，可将上述的评价目标具体化、表 格 化 （ 下表仅供参考），以便于评价人员逐项进行判断，最后做出等级评定.中学物理课堂教学质量评价表教学课题：执教教师 日期： 年 月 日编号评定项目等级很好较好一般较差很差1课堂教学目的体现教学大纲的要求2内容正确无误3选择的材料具有代表性，富于启发性4内容的深度、分量符合多数学生水平5采用的手段、方法恰当，发挥师生双方活动的积极性6操作准确、语言生动、教态自然、板书合理7激发学生学习兴趣8结合教学进行思想教育的效果9丰富学生知识的效果10提高学生能力的效果第十章物理教 师 的 备 课教师要完成教学任务，要做大量的准备工作，而课前备课是提高教学质量的关键环节. 认真备课， 一丝不苟地上好课，是一个教师起码的职责.§ 1备课的要求教学过程中包含着三对矛盾；学生与所学知识和提高能力的矛盾；教师与教材的矛盾；教师与学生的矛盾. 在这三对矛盾中，学生与所学知识和提高能力的矛盾是基本矛盾. 因此，教学过程就是教师不断地解决教师与教材之间、教师与学生之间的矛盾，推动学生与所学知识和提高能力之间的矛盾不断解决的过程.教师备课，要备教材，这是解决教师与教材之间的矛盾；要备学生，这是解决教师与学生之间的矛盾；要备教法，这是教师发挥主导作用，解决学生与所学知识和提高能力之间的矛盾. 可见，备课是- - 项十分细致的工作，可概括为备教材、备学生、备教法.所谓备教材. ，是指教师要学习教学大纲，熟悉教材. 、钻研教材，明确物理教学的具体要求.教学大纲是根据国家教育方针、学校的教学计划制订的，对当前物理教学规定了教学目的和具体要求，如教学内容的安排，学生必须掌握哪些知识，必须熟练地使用哪些量度仪器，必做或选做哪些实验，实验技能达到什么程度，教师必须至少做哪些演示实验，学生要进行哪些练习，等等.教材是根据教学大纲编写的，是教和学的主要依据. 它更具体地反映了教学内容的逻辑顺序、要求的深度和广度，等等.教师备课，首先就是要学习教学大纲，熟读教材，领会教材的编写意图. 对教材中所安排的实验、习题，教师必须亲自做过. 在此基础上，作出执行的全面规划，即制订各个学年、各学期、各个阶段的具体要求.所谓备学生，是指教师要了解学生的情况. 教师可以通过课堂接触、个别谈话、召开座谈会、批改作业等途径，了解学生的学习态度、原有基础和存在的问题，以便有目的、有针对性地进行教学. 对于不同的学生对象，即使是同一个教学内容，也可以采取完全不同的教学方法. 备学生的过程也是恰当地确定教学难点的过程. 教学难点和教学重点不一定是相同的，教学重点通常决定于内容本身，而难点则由多种因素造成，可能是知识本身确属困难，但更多的可能是与学生有关，例如，如果学生平时很少观察，也不善于动手，学习物理知识就缺乏感性认识的基础，形成难点，甚至学生的语文程度、数学程度以及原有的物理学基础都会给接受新的物理知识带来困难.了解了学生各方面的情况，并分析出产生的原因，在教学中就可以对症下药地解决学生学习上的困难.所谓备教法，就是在备教材、备学生的基础上，选择教学方法. 对于不同的内容，不同的学生，可以采取不同的教学方法. 这主要是指采取什么措施，用什么手段，如何达到教学目的，如何体现教学原则，如何突出重点，突破难点，使学生掌握知识，提高能力.教学方法的选择， 要落实于解决学生与所学知识和提高能力之间的矛盾. 不要片面地追求形式，而要讲求实效.§2 .制订教学工作计划一般地说，在学期开始前，教师接受了教学任务后，按照上一节所谈到的备课的要求，首先学习教学大纲，通读教材: 明确全学年所应承担的教学内容和具体要求. 其次，了解即将任教的班级学生的学习情况，了解他们在前一学期学习的成绩，完成各项教学任务的情况，以及学生的问题和困难. 最后，选择完成教学任务所采用的教学方法. 在这基础上，制定学年或学期的工作计划 . 然 后 ，再仔细地钻研教材，阅读有关的理论书籍和教学参考书，结合学生的实际情况，制定各单元的教学计划.1 .学 年 （ 或学期）的教学工作计划学 年 （ 或学期）的教学工作计划，大体上包括：（ 1 ）学年或学期的教学目的.这是在服从中学物理教学目的的前提下，根据本学年或本学期教学内容的特点和要求，确定这一阶段应该达到的教学目的.（ 2 ）单元教学的进度.这里所说的单元，一般指的是“ 章 ”，当然，对于内容很多的“ 章 ”，可以划分为儿个单元，一个单元包括若干“ 节 ” .参照教学大纲对各个课题所安排的学时，结合着本班学生的实际情况，确定各个单元所需要的学时.（ 3 ）需要的教具.根据上述的教学目的和要求，提出所需要的教学工具，以便及时按计划得以充分准备.（ 4 ）复习、考试的次数和时间安排.在一学期内应上儿次阶段复习课，在哪些单元结束后上复习课；在一学期内应有几次阶段测验，何时进行，其中包括期中和期末考试，都应安排在学年（ 或学期）的教学工作计划之内，成为一个完整的教学工作进度表.学 年 （ 或学期）的教学工作计划，虽然较为笼统，但必须认真、细致地制订，这是教学任务能否顺利完成，以及检查工作情况的依据.2 . 单元教学计划一个单元包括几节课，甚至十几节课. 在每一单元教学前，应制订一个较为具体的教学计划，其内容大体上包括：单元教学目的要求；学时安排；补充练习，实验的准备等.例如，初中“ 密度”单元教学计划.（ 1 ）目的要求.①掌握密度的概念、公式和单位. 知道密度是物质本身固有的一种属性.②知道量筒刻度的原理和作用，会用量筒和天平测量物质的密度.③会运用密度公式计算物体的质量、体积和密度，会用物质密度表来鉴别物质，能用“ 负指数事”的记数法表示质量、体积的大小.④能利用密度概念解决简单的实际问题.（ 2 ）学时安排.密度1 学时；测定物质的密度1 学时；密度的应用1 学时；总结、练习1 学时；共需4 学时.（ 3 ）为了训练学生观察、实验能力，可补充如下一些问题，请学生们看一看，想一想，做一做.①到副食品商店观察售油、售酱油所用的器具和使用方法. 有哪些方法是通过测量体积来测量其质量的？②只有一架天平，怎样知道一卷细铁丝的长度（ 另附有一小段相同的细铁丝）？想一想，做一做.③只有一架天平和一把米尺，怎样知道一张铜箔的厚度？请写出测量的方案，说明道理.④今有一架天平，一瓶没有装满的牛奶，一个空奶瓶和足量的水，请测定牛奶的密度.§3制定课时教学计划（ 教案）课时教学计划是在学年（ 或学期）教学工作计划的宏观约束和单元教学计划的微观指导下，结合学生的实际情况来进行研究制定的. 所谓宏观约束，是指课时计划的制定要服从学年（ 或学期）的教学目的，要与学年（ 或学期）的整体进度合拍，要以学年（ 或学期）工作计划为检查教学工作情况的依据. 所谓微观指导，是指课时计划的制定要服从单元计划的教学目的，要符合单元计划的课时安排，要满足单元计划对本课时的具体要求.下面讨论课时计划的具体制定过程.1 . 明确教学目的，确定教学重点课时计划的教学目的，主要包括对与该课题相关的基础知识、基本技能与能力、思想教育等方面的具体要求. 这些要求的程度可以用知道、理解、初步掌握、熟练掌握等容易评价的行为动词加以区别，避免抽象、模糊的提法，以便于师生及时检验教学目的的落实情况. 从而便于教师及时调整教学计划，使教学发挥更大的效能.明确了教学目的，就可以正确地划分教学内容，确定出教学重点. 教学中重点知识的确定，除了受教学目的制约之外，主要由它在物理学中的地位、知识应用的广泛程度、对培养能力的作用以及学生的基础等方面综合确定. 对于每节课所涉及的内容中，属于关键性的或者作为掌握后续知识所必须具备的基础知识，对掌握重点知识起重要作用的知识，对于培养学生的能力、进行思想教育有重要作用的知识都可作为这节课的重点.2 . 了解学生、确定教学难点教学难点是由教材内容的要求与学生基础这一对矛盾决定的. 所谓的难点是知识要求与学生原有的知识基础、认识能力差异较大的、学生难以理解和掌握的以及教师难以处理、难于讲授的那部分知识. 由于不同水平的学生有不同的难点，所以难点是相对的. 对它的确定一定要从学生的实际出发，重视对学生心理的分析，重视思维障碍的成因和表现. 具体来说，这样儿类知识常常是教学的难点：概念抽象而学生又缺乏感性认识的知识；学生的生活经验与物理知识之间有矛盾的；现象复杂、文字概括性强的定律或定理；限于学生水平和教学大纲要求，不能或不必作深入阐述的知识；思维定势带来的负迁移；概念相近、方法相似的知识.值得指出的是，教学难点有时也会由于教师本身的水平或教学要求和教学方法选择不当而人为造成. 因此，教师在分析确定难点时，也不可忽视由教师本身因素引起的教学难点.3 .处理教材、选择教法为了实现教学目的，这就需要研究并构思整个教学过程. 这就要考虑如何处理教材和如何选择教法的问题.所谓处理教材就是在分析教材逻辑结构发展的基础上，根据学生的心理特点，从总体教学过程最优化角度考虑，重新组合安排知识信息，把教材的文字系统转换成符合本校实际情况、适合于学生发挥最大主体作用、教师充分发挥其经验与特长的教学活动系统.处理教材首先是在已经全面掌握教材的基础上，根据学生对本课题相关知识掌握的情况，把教材涉及的知识点重新分解组合. 一般可以把有关的知识分为：已知的，即学生已经掌握了的知识，可作为复习或课堂提问的内容；未知的，即学生即将学习的知识；半知的，即学生对这些知识稍有印象，但又尚未完全掌握，一经启发即可明白. 然后，重新组合这些知识，设法教好未知的知识. 其次，根据需要，可以变更、增补，删减一些内容.所谓选择教法就是在处理好教材的基础上，为了突出重点，克服难点，达到预定的教学目的所需确定的教学进行的方法. 这需要仔细考虑每个环节的具体内容、手段和措施. 例如，如何引入课题，怎样启发学生思考，使用什么教具，让学生观察什么现象，学生要做哪些实验，举什么例题，布置什么作业等等.需要强调的是，由于教学重点在教学内容体系中占据着重要的地位. 因此,选择教法时必须考虑如何突出教学重点. 首先，应围绕着重点知识处理和组织全部教学内容. 其次，在时间分配上要保证重点知识讲授的时间. 另外，还必须加强对重点知识的巩固和强化. 在练习的配备上，作业的安排上，重点知识都应占有较大的比重.如何化解教学难点，也是选择教法时必须考虑的问题. 如果是由于思维方法的障碍造成的难点，可以教给学生研究问题的思路和方法；如果是由于学生缺乏感性知识，而知识又过于抽象造成的难点，可以运用各种教学手段，为学生提供直观形象的感性材料，或尽可能联系学生的生活经验，或让学生亲自动手做实验，通过自己的观察、实践，得出结论；如果由于学生已形成的不正确的学前概念的干扰，或由于相近、相似知识的干扰造成的难点，可以加强对物理现象、物理过程的分析，引发认识冲突，揭示现象的本质特征，或从知识结构的整体内在联系出发，利用学生已掌握的旧知识或相关知识通过对比与鉴别,揭示各自的本质特征，从而帮助学生获得正确的知识；如果是由于学生的基础知识尚不具备，或接受能力较差造成的难点，可以运用形象的比喻、类比和举例的研究方法，或对于形成或推导的过程较复杂的知识以及涉及的面广量多的知识，则可分为几步，由简到繁、由定性到定量、由具体到抽象、由特殊到一般，逐步解决.总之，课前必须进行上述备课活动，备好课的标志是能够回答、并落实如下三个问题：①为什么要讲这一课题？ 目的何在？重点、难点、关键是什么？②为达此目的，采用什么手段？具体的处理方法是怎样的？③得到什么结论，适用条件和适用范围是什么？运用它能说明、解释哪些现象？能够解决哪些问题？分析和解决的方法是怎样的？只要能回答出上述三方面的问题，教师就作到了心中有数，讲起课来就能立足于教材整体，抓住具体的重点和关键，加上教师用自己的语言生动地进行表述，就会避免面面俱到、平铺直叙地照本宣科. 学生听课也会感到亲切，有兴味，易于接受，不仅学到了新的物理知识，而且增强了能力.下面，我们以加速度概念为例，具体说明教师备课的主要内容.①明确教学目的，确定重点和难点. 首先要阅读教材，通过阅读，掌握本节内容及前后有关的力学内容，以至在物理学其他学科（ 如热学、电学）中，加速度这个物理概念的应用. 从而明确这节内容在教材整体中占什么地位.我们知道，从物理知识的角度看，加速度是描写运动的基本量之一，是研究变速运动的关键，不仅研究变速直线运动的规律必须很好地掌握这个概念，而且它也是以后学习匀速圆周运动的关键. 进一步我们看到，在研究动力学时,力的作用效果之一是直接产生加速度，从这个意义上，可以说加速度是运动学和动力学联结的桥梁. 因此，它在整体中占有重要地位.但是在中学阶段，对加速度这个概念，应该并可能讲到什么深度呢？作为教师的备课，绝不能仅仅考虑到如何给中学生讲这个概念，而必须要高于课本,高于教学对象，全面地掌握这个概念，这也就是通常所说“ 要给学生一杯水，教师必须有一桶水”的意思.加速度是描写速度改变快慢的物理量. 当我们粗略地描写速度改变的快慢时，有平均加速度的概念，即_ _ V - Vo _ A va=TT7 = AF其中，V 。

是 to 时刻的初速度，V是 t 时刻的即时速度，是从t 到 t 时刻（ 即At 时间间隔内） 的速度增量， V 、 V 、 Av和 a 都是有大小、 有方向的矢量. 当我们精确地描述速度改变的快慢时，有即时加速度的概念，即△va = l i m - r -△f 0 A t这就是说，即时加速度是当时间间隔△ t- O 时，平均加速度的极限值，它同样是矢量. 由于我们所描写的运动都是在一定参照系下的相对运动，所以加速度a 具有相对性. 这样，我们对加速度这个概念不仅了解了它的定义，而且还了解了它的矢量性、瞬时性和相对性.考虑到在中学阶段，要重点研究直线运动，特别是匀变速直线运动的规律,还要研究圆运动，都涉及运动方向问题，因此要强调加速度的方向性；同时，考虑到在圆运动中实际上应用的也是瞬时概念，因此，加速度的瞬时性也应该让学生了解；而中学阶段，我们通常以地球为参照系，对参照系的变化不作特别要求，因此，相对运动的问题不太出现，相对性可以不必涉及.于是，我们围绕明确教学目的的问题，得出了这样的结论：通过这节课教学，一定要讲清加速度a是研究什么问题的，它是如何定义的，以及它的大小、方向和量度单位；要让学生掌握a的矢量性，了解a的瞬时性. 总之，加速度的概念虽然在中学物理中占重要地位，但不宜全面地、深入地展开，它属于我们所说的第二类知识，即重要知识，要求学生掌握它，会运用它. 这就是这节课教学重点的确定过程. 关于教学难点，显然应放在学生过去接触不多、感受不深、难以理解的加速度的矢量性上.②为达到教学目的，采取什么措施. 根据总的物理教学原则，首先应列举大量事实和实验现象，唤起学生的感性知识，从而提出问题. 我们可以用火车的出站和进站，汽车的起动和停车来说明，前者是速度从零逐渐增大到一定值,后者是速度从一定值减小到零， 启发学生思考这种变速直线运动的运动过程. 还可以做下面的实验，取两块长度相等为1 的木板，分别以倾角0 和B 倾斜置于地面，用双手在两木板顶端各放一个质量和体积均相同的物体，同时放开，使物体沿斜面滑下，如图1 0 —1 所示，两个物体同时以初速度v 0 = 0 开始下滑，通过的位移相等为1 , 让学生观察两个物体下滑过程中速度都在逐渐增大，因此，都是变速直线运动， 但是到达地面的时间不同， 速度改变的快慢也是不同的. 进一步启发学生思考，如何来描写速度改变快慢的不同呢？这就提出了问题，引入了描写速度改变快慢的物理量——加速度.图 10-1在解决“ 如何描写”的问题上，要启发学生自己得出加速度的定义. 考虑到在这之前刚刚讲过直线运动的速度、平均速度、即时速度，引导学生想到，采取与引入速度概念相类似的方法，对比地引入加速度概念. 速度描写物体位置变动的快慢；加度速则描写速度改变的快慢. 两者的物理含义虽然完全不同,但在形式上却有着相似之处，都是描写改变的快慢. 利用形式的类似引进新的物理概念不仅唤起了学生的旧知识，而且使学生学会这种处理物理问题的方法. 具体地说，在引入速度概念时，我们把物体从£时刻到t时刻位置的改变（ 位移）表示为坐标增量A x ,从11 1f t时间间隔内的平均速度为△xV = ZT其中V和A x都是有大小、有方向的矢量；为了粗略地描写变速直线运动中速度改变的快慢，我 们 把 换 成A v , A v表示物体在从时刻的速度vO到t时刻的速度v过程中的速度增量，它是一个矢量，于是得到_ A v _ V - v0a =AT = T^T学生很容易理解这就是所谓平均加速度的概念，而且很容易接受a的矢量性质.. 「 _ _ _ _ _ _图 10-2在采取这样的类比方法，给出了加速度定义以后，进一步讲解难点，即加速度是既有大小、又有方向的矢量. 我们把一个物体看成质点沿直线运动，如图1 0 - 2在t 0时刻速度为V”当质点运动到t时刻时速度变化到v ,根据前面的定义，有V - vo _ A vt - t0 A t这 个 从 到t时刻的平均加速度的量度单位是m/s。

，加速度的方向即是△的方向. 由于研究的是一维运动，只要我们事先确定一个正方向，则a的矢量性 （ 即方向性）便可以用正、负号来表示. 需要告诉学生，坐标系的建立，正方向的选取原则上是任意的，即正方向可以与运动方向相同，也可以与运动方向相反，但要考虑解决问题的方便，通常取运动方向为坐标轴正方向，于是有v( , >0, v>0速度增量的正、负，显然决定于V 和 V的关系:若丫> 丫°, 则△▽> ( ) , 即 a > 0 ,若 v V v o , 则△ v V O , 即 a < 0 .由于这是教学难点，教师应不厌其烦地强调，前提是坐标系的正方向与运动方向相同，在这个前提下，只要>0 , 则若 a > 0 , 质点为加速运动；若 a < 0 , 质点为减速运动.至于取坐标正方向与运动方向相反的情况，可以不涉及；若教学对象学习程度较好，也可以给学生适当进行讲授，以加深理解，或结合例题说明.采取了上述的措施和方法，我们便顺利地达到了这节课的教学目的，既突出了重点，又讲清了难点，既教了物理知识，又教了分析问题、解决问题的方法.③巩固、运用本节的物理知识. 为了巩固、运用所学知识，教师可以选配一些能够引起学生兴趣、与生产、生活实践密切相关的例子. 例如，在汽车出厂时，通常必须做加速度性能试验，其试验是让汽车开足油门，研究车速从某一数值v 0 增加到v 所需要的时间, 试验结果: 当速度从2 0 k m 到 ( 5 . 6 m / s ) 增加到 5 0 k m / h ( 13 . 9 m / s ) 时, 高级轿车需7 s , 4 X 10 % g 载重卡车需3 8 s , 8 X 103k g重卡车需5 0 s , 让学生分别求出三种车辆的平均加速度百=?这样，使学生了解到加速度在实际中的应用. 在高速公路上行驰的车辆要求起动快，为了达到这个要求，必须提高车辆的加速度性能.也可以举课本上给出的例题：研究在20 s 内，速度从10 m / s 增加到15 m / s的火车的平均加速度G = ?题目虽然简单，但要引导学生注意解决物理问题时，不要简单地套数学公式，要养成分析物理过程的习惯，也为今后的学习打下基础，训练学生解题的思路和方法. 对上述例题，首先确定研究对象是火车，且视火车为一质点，然后分析火车的运动为变速直线运动；进一步要建立坐标系或规定正方向，通常在直线运动中取运动方向为坐标轴正方向，所以有v0 = + 10 , v = + 15 , a = = 0 , 25 > 0 .即当v 0 为正值时，平均加速度为正值，火车做加速运动，与原题相符. 若取坐标正方向与运动方向相反，则有v0 = -10,v = -15,a= -0,25<0.即当v0为负值时，平均加速度为负值，火车做加速运动，仍与原题相符.对于速度从10m/s减小为零的情况，可以让同学在课堂上自己计算，教师总结解题的基本思路和基本方法.为了进一步加深和活化概念，要让学生在课后完成一定数量的作业.§ 4教案的编写在进行上述备课活动的基础上，教师要写出课时计划，即教案. 写教案的目的是把备课的主要内容概括出来，作为具体的讲课方案，以便于课堂上讲授,便于课后检查，总结经验，改进教学. 教案的规格和繁简程度可以因人而易，但必须写明教学目的、讲授的主要内容和采取的措施.这里，我们提供一个供参考的教案格式：表 10— 1班级日期课题教材教学目的教具教学过程课后分析备考表中， “ 教学目的”一栏既要写得简单、明确，又要尽可能具体； “ 教学过程” 一栏，通常包括：1 ）复习旧课，发掘问题，引入新课题，所提出的问题要有意识地起到为新课作准备或扫清障碍的作用，启发学生新、旧知识之间的过渡；2 ）运用启发式教学讲授新课，采 取 的 措 施 （ 包括实验）要写得具体，要层次分明；3 ）以精讲多练的原则进行巩固、练习；4 ）布 置 作 业 . “ 课后分析”一栏要认真写明教学计划执行情况，达到什么程度，效果如何，经验、教训及其原因，如何改进等.§5物理观摩课的评议教师备课的重要辅助活动之一是开展观摩教学，并进行分析、评议，从而在教师间交流备课经验，取长补短，共同提高.如何评议一节课？大致可以包括以下几个方面：（ 1 ）从教学目的上看.首先要看所确定的教学目的是否符合教学大纲的要求和学生的实际状况；同时要检查通过教学过程，这个预定的教学目的达到的程度如何？（ 2 ）从教学原则上看.如，实验的演示、概念和规律的讲述是否正确无误，符合科学性原则；提出问题，引入新内容是否从直观的观察出发；在教学过程中，是否用启发式来组织、调动学生的积极思维活动；是否体现了因材施教的原则；是否联系实际,应用所讲的物理知识来解决问题，开阔学生的知识眼界.（ 3 ）从教学方法上看.教学重点的确定是否合适，教学中是否突出了这个重点，措施是否有力；讲述是否层次分明，表达是否深入浅出；实验、板书、板画的设计和安排是否得当；培养学生观察实验能力、思维能力、分析问题和解决问题能力方面有什么特点，贯彻如何.（ 4 ）从教学效果上看.这主要是考察学生接受的程度如何，如对物理知识的理解和掌握是否正确，能力是否有所提高.总之，衡量一节课的好坏，主要看教学内容是否正确，是否重视培养学生各方面能力，是否有利于促进学生形成辩证唯物主义观点；教材处理、教学方法、教学手段是否处理和运用得当，以及学生接受的情况.（ 附录）教案范例*一、讲授课教案范例班 级 高二X班日 期1981年X月X日课题 部分电路欧姆定律的应用（I I ）教 材 全日制十年制学校高中物理课本（ 下册）1980年版第二章，八教学目的（ ~）在含有反电动势的电路中欧姆定律的应用；（ ―）讲授反电动势的物理本质及含有反电动势的电路中的功率关系和能量分配.教具 稳压电源，电压表，电流表，定值电阻（20Q ）,蓄电池.教学过程1 .回顾上节课重点， 引出本节课将讨论部分电路欧姆定律的另一个应用（ 10分钟）（ 1）做如图10 — 3的演示实验，给出定值电阻R = 2 0 Q ,从电压表和电流表测得电阻R两端的电压和电流，通过数据处理，证明在稳恒电流的纯电阻部分电路中，有U -1 = —或 U = IR.R（ 2）提出问题：在实际应用中，外电路往往不是纯电阻电路.例如，图10—4的电路中，与电阻R串联一个蓄电池（ 注意蓄电池正、负极方向），这时，会有什么结果呢？2 .讲 解 新 课( 3 0分钟)( 1 )演 示 图1 0 - 4实验.S10-4测得：- 1 0 ( V ) , 1 = 0 . 2 ( A ) ,UA C=IR = 0. 2 X 2 0 = 4 ( V ) .从而得到 U W I R ,而是 U - I R = 1 0 - 4 = 6 ( V ) .( 2 )提问：为什会出现U和I R之间相差的6 V电压？ ( 由学生回答)( 3 )蓄电池有两个参量：电阻和电动势.电阻r同定值电阻R相比，有「 《上 不是起主要作用的因素.蓄电池电动势可以近似地测得，于是得到U - I R - r = 8 .考虑到在电源内部电动势方向从负极指向正极，又考虑到电路的连接特点,给出U - I R - I r = 6 反 .“ 反”的含义是被充电的蓄电池的电动势方向与该电路外加电压方向相反,故定义8反为电路中的反电动势.( 4 ) 用电场的观点指出， 反电动势的本质可以理解为非静电力F ” 把单位正电荷q 从负极搬到正极. 对该力做功的分析如图1 0 - 5 .图 10-5( 5 ) 用功率关系和能量分配关系来总结:从 心 冒 和 ％ =年导出 U=UAB=UA C+Ur o= I R + I r + 6 R,所以得到1 = ^R + r进一步给出I U = I2R + I2r + I 8 K,I U t = I2R t X I2r t X I 8 Kt .指出两式的物理意义.3 . 巩固复习(5 分钟)( 1 ) 内容重点概括；(2)作图 10—6 的练习题，图中 I = 2. 0A , 8 = 6. 0V , r = 0. 15 Q , U = 6. 5 V ,求：R = ? P 济 和 = ? P M K = ? P K 后？6 ,rIS10-64 . 作业二、复习课教案范例班 级 高二X班日 期 1981年X月X 日复 习 范 围 现行教材高二课本第一章，一至七节复 习 时 间 两学时复习目的（ ~）以描写静电场特性的基本物理量和基本公式为线索，用表格方式重点复习点电荷电场和匀强电场所具有的力的特性和能量的特性；（ -）以典型例题来巩固、活化对电场特性的认识.教学过程1 . 明确电场的物质性（ 1）物质存在的两种形态：微粒形态和场形态.（ 2）电荷与电场：电荷周围存在着电场；电荷之间的相互作用是通过电场实现的；一切电现象都离不开电场的作用.（ 3）典型电场：点电荷电场和匀强电场.2 . 电场的特性(1)电场具有力的特性和能量特性，与这两个特性有关的物理量和物理规律 见 表10- 2 (由学生填写).表 10- 2名 称电场具有力的特性电场具有能的物性电场强度电场力电势和电势差电热能和电功公式单位公式单位公式单位公式单位一般式点电荷场匀强电场占电荷组形成的场注 意由—决定；反映.的—的特性；它与_无关由一和—共同决定;但与—无关由—决定； 反映_ 的—的特性； 它与 _ 无 关 ， 但要注意— 的选定由—和—共同来决定的；要注意— 的选定； 电场力做项的特点是—(2)研究电场特性的方法：检验电荷的使用；各物理量正负号的含义；电力线的作用，利用电力线来判断电场强度、电场力的大小和方向.3 .典型练习题选讲(与学生共同完成)例1针对图10 —7 ,图10—8,图10—9三种情况，回答下列问题：010-7图 10-8图 10-9（ 1） A、B 、C三点处是否都有场强，为什么？（ 2）各点处场强方向如何？怎样判定？（ 3）哪点场强大？如何判定？有没有场强相同的点？ （ 4 ）各点处是否都表现出电场力？为什么？（ 5 ） A 、B 、C 三点处是否都有电势？为什么？（ 6）哪点电势低？如何判定？有没有等势点？如何判定？ （ 7）检验电荷分别从A移到C点，电势能增加还是减少？ （ 8 ）检验电荷分别从A移到B点,电场力做功为多少？例 2 在图10—10中，图 10To（ 1） q i 和 4相等时，A、B 两点谁受的电场力大?（ 2）当s > q , 时，谁受的电场力大？（ 3 ）当S 为多大时，能使R > R ?在图1 0- 1 1 中 ,-------S —图10-11( 1 ) 比较a 、b 、c 、d 各点处电势的高低；( 2) 比较+ q 在各点处电势能的大小；( 3 ) 比较- q 在各点处电势能的大小.例 3 如图1 0 —1 2, 质量m = l g的带电小球，用长为1 的细线悬挂在两平行金属板之间的M点，两板间距离d = 1 0c m , 当两板加上U = 4 0V 的电压时，小球向左摆动3 0°到A点平衡. 问：( 1 ) 小球带什么电？电量是多少？( 2) 若用细绳把小球拉到B点，并将绳拴在C点，水平线B C 的张力T , = ?( 3 ) 若把B C 剪断，小球摆到最低位置时，悬线的张力「 = ?第十一章物理电化教学手段物理学既然是一门实验科学，在物理教学中就必须要求学生进行大量的、生动的、细致的、系统的实验观察. 长期以来，课堂物理教学的主要传统手段是物理教师的口授和板书、板画，加上为数有限的演示实验. 这种教学手段与物理教学的特点，与现代社会对物理教学的要求，与科学技术的飞速发展对于培养人材的需求是不相适应的. 为了提高中学物理教学质量，加速培养人材，还必须在合理运用传统教学手段的基础上努力促进中学物理教学手段的现代化 .§ 1 电化教育概述近些年来，我国教育事业飞速发展，其显著标志之i是各级各类学校增添了许多现代化教学媒体，这些现代化教学媒体不仅改变了原有的传统教学手段,同时还促进了教材观念和形式的变革，促进了教学方法与课堂教学结构变革，从而也促进了教学思想和教育理论的改革. 现代教学媒体的应用，对于促进物理教学手段现代化更起着非常重要的作用.1 . 什么是电化教育电化教育是现代教学媒体在教学中的运用，是教育事业现代化的标志之一 . 具体讲，就是在教学过程中，在现代教育理论的指导下，正确地运用幻灯、投影、电影、录音、广播、电视、录像、语言实验室、程序教学机、电子计算机等手段，并与传统教学手段有机组合，共同参与教学过程，来对学生进行知识传授和能力培养.2 . 为什么要开展电化教育从人类社会的教育史来看，教育方式和教学手段总是随着生产力的发展而发展的. 随着机器大生产的出现，现代科学技术的进步，人们逐渐将视听工具应用于教学过程，从而使教育摆脱了 “ 手工业方式”的束缚，走上了现代化的道路.电化教育萌芽于19世纪末期，那时用的只是幻灯. 第二次世界大战以后，电化教育得到迅速发展. 目前， 在一些发达的国家里，电化教育已相当普及. 为什么电化教育受到这样普遍的重视呢？其原因主要有以下儿点：（ 1）这是科学技术发展的需要.现代科学技术迅速发展，日新月异，学生要学的东西越来越多. 有人估计,近十年来所出现的创造发明，比以往两千年的总和还要多. 学生在学校里既要学基础知识，又要学习不断出现的新理论，新技术. 这样，日益增加的知识范围和学习年限之间越来越产生尖锐的矛盾. 为了解决这一矛盾，不但要合理安排教学计划和教学大纲，删繁就简，精讲多练，还要改革传统的教学方式，利用现代化教学手段. 只有这样，才能达到扩大学生的知识面和提高学生理解问题、解决问题的实际能力. 目前，许多学校都可以用自己的教学经验证明，利用幻灯教学可以在很大程度上节约教学时间，提高教学效率.（ 2）这是普及教育的需要.随着人口的剧增，现代化科学技术的发展，需要提高劳动生产率，培养质量更高、数量更多的科技人材和劳动后备军，因此，教育必须相应地来一个大普及，必须对“ 粉笔加黑板”的传统教学手段进行改革. 目前许多国家都在利用电视广播教学或卫星广播电视教学作为加速普及教育，发展成人教育的一个重要途径. 在这一方面，我国作为一个人口众多的大国，更是感到迫切，必须急起猛追.（ 3 ）这是提高教学效率的需要.从心理学的角度看，视觉比听觉所造成的印象更深刻， “ 百闻不如一见”就是这个道理. 电化教育作为一种有效的直观手段，可以向学生提供内容丰富而又形象生动的感性材料，通过对视觉器官、听觉器官等的作用，促进学生完成一个完整的感知过程，即从生动的直观到抽象的思维，从抽象的思维再到实践这样两个飞跃. 国外有人研究接受信息的来源与记忆的关系表明：通过阅读获得的知识可记住1 0 % , 通过听觉接受信息， 可记住2 0 % , 通过视觉接受信息,可记住3 0 % . 听觉和视觉结合起来接受信息，可以记住4 5 % , 如果听、视与复述结合起来， 可记住6 0 % , 如果听、视、 复述、 动手操作结合起来， 可记住7 0 %以上. 因此，只单纯地采用某种教学手段进行教学是难以完成教学任务的，要多种手段相互配合.电化教学由于视听结合，声、形、色结合，因而生动、形象、感染力强，能引起学生对所学教材的兴趣和注意力，为学生学好知识提供有利的条件. 电化教育可以不受时间、空间、微观的限制，采取特殊手段，可以观察到靠传统教学手段所不容易观察到的现象，从而丰富教学内容，帮助学生较快地理解教学内容. 这种做法是符合教育学和心理学理论的. 电化教育也便于自学和个别训练，如果运用得当，对提高教学效率和教学质量可以起到重要的作用. 总之,开展电化教育的目标就是要实现教学过程的最优化.3 . 物理教学中常见的电化教学媒体现代教学媒体也可称为电化教学媒体，它是指直接介入教学过程中，并用来传递和再现教育信息的现代化信息传递工具. 它包括硬件和软件两个部分，硬件是指传递和再现信息的教学设备，如幻灯机、录音机、录像机、电视机、计算机等. 软件是指用来记录和储存信息的载体，如幻灯片、录音带、录像带、计算机软盘、C D - R O M 光盘等. 这些教学媒体具有许多功能，也有适应性和局限性，各种教学媒体之间，它们的局限性和适应性又往往能够相互弥补. 因此，综合运用多种媒体，才能使教学过程达到最优的效果根据我国的国情和现阶段科学技术发展水平，目前物理教学中最普遍采用的电化教学媒体可分为以下三大类，如表1 1 一1 所示.表 117现代教学媒体的分类分类媒体组口系统设备软件光学投影类幻灯透射式幻灯片普通电教室综合电教室反射式不透明图片投影机投影片电影机电影片电视类电视接收机影片闭路叫视系统录像片录像系统录像片视盘系统电视唱片计算机类程序学习机固化程序计算机辅助教学系 计算机网络统外存磁盘件( 1 )光学投影媒体.主要有幻灯机和幻灯片，投影器和投影片，电影机和电影片，主要通过光学投影，把小的、透明的或不透明的图片一、标本、实物、连续活动的画面等呈现在银幕上. 这些媒体一般也都具有声音效果.在物理教学中，经常使用的光学媒体有：①幻灯机主要有四种规格.135幻灯机有插片式、卷片式，也有插片卷片混合式.135自动幻灯机 它装有自动转片器，能够自动换片，定时放片，遥控换片、一次可装几十片. 这种幻灯机和录音机同步组合使用，可以做到有声有色，形象生动.实物幻灯机可以把不透明的普通书刊、图片等投影到银幕上去，优点是不需要做透明片，任何一幅图画都可以原样投影出去.显微幻灯机它是由一架显微镜、一个光源箱和载物台组合而成，适合于生物、物理学科的课堂教学使用( 如，可 演示布朗运 动 ) . 利 用 它 ，可以减少学校显微镜的设备，更重要的是全班能够一致地观察切片，看到一致的现象，达到一致的教学要求.②投影器基本规格是2 5 0 X 2 5 0 m m罗纹透镜式. 它有多种用途，适于放映各种类型的大片和活动片，还可以放映透明模型教具（ 投影教具），也可以代替黑板把教师在透明片上写的字投影到墙上或银幕上.③电影放映机主要有三种规格：超8 m m开盘式电影放映机 适用于小教室放映.1 6 m m电影放映机适用于大教室放映.3 5 m m电影放映机用于放映厅.在国外，还有超8 m m自带银幕放映机，它可以随意停格；以及超8 m m盒式电影放映机，它的影片制成盒式，头尾相接，放入机内，只要一按电钮，即可开始放映，并可随时停映. 放映完毕再按电钮，即可重新放映一遍. 这种电影放映机用作教学将会给我们带来更大的方便.（ 2 ）电视类媒体.主要有广播电视接收机，摄 录 像 系 统 （ 包括摄像机、录像机、监视器）及录像带、电视唱盘等. 这类媒体是利用光电转换器件（ 摄像管）把事物图像转化为电信号并记录存储在录像磁带上. 又利用电光转换器件（ 显像管）把记录存储的电信号转换为光信号、使原有图像得到再现.（ 3 ）计算机类媒体.这是利用电子计算机的逻辑电路的存储、运算、控制功能，通过专用程序学习机或微电脑系统的终端、借助固化程序软件或外存的课件进行学习.4.电化教育在物理教学中的作用物理是一门以实验为基础的自然科学，它的研究方法一般是在观察和实验的基础上，对物理现象进行分析、抽象和概括，从而建立物理概念和定律，进而形成物理理论，然后这种理论再回到实践中去经受检验. 由于物理学这种实验性强、抽象概念多的特点，使它成为中学生感到学习困难比较大的一门学科 . 因 此 ，直观教学在物理教学过程中占有相当重要的地位. 传统的直观教学主要是运用演示实验、教学模型和教学挂图等进行的. 但这些手段有较大的局限性，如：有的可见度小；有的演示现象瞬息即逝；有的限于条件演示效果很差；挂图所提供的只是静止的画面，对讲解现象的过程很不适用；模型是假的,模型本身又不易拆开，工作时各部分的活动情况不易看清，携带也不方便. 正因为这些局限性，使学生对许多物理知识的理解不能充分建立在直观感知的基础上，因此教师感到难教，学生感到难学. 而采用电化教学手段可以排除这些局限性，弥补传统直观教学手段的不足.电化教学手段在中学物理教学中的应用可以概括为以下几方面.①模拟物理现象，变抽象为直观，形象，主动，感染力强，有助于讲清概念，有助于学生理解和记忆，培养学生分析问题、解决问题和抽象思维的能力②电化教学媒体用于课堂教学中，在短时间内系统地重复彼此有关的物理现象，易于突出重点、突破难点，使学生理解快、记忆牢固.③直观、形象地培养学生正确使用仪表和实验操作的技能.④利用电化教学媒体，还可以提高学生的学习兴趣，求知欲望，扩大学生的知识面，使物理教学进行得生动、活泼.§ 2光学投影媒体的运用光学投影媒体是利用光学投影设备，将相应的软件或实物图像放大，并显示在幕面上，达到传递教学信息的目的.1 .光学投影媒体的特点①可提供静止、放大的视觉图像. 光学投影媒体是以图像的形式记录和传递教学信息的，它可以直观、形象地再现客观事物或现象.②可模拟某些现象和运动的动态过程，有助于学生具体地、形象地理解有关事物的变化过程.③媒体的控制不受时间的限制. 在课堂上灵活操作和讲解，可深、可浅、可长、可短.2 .光学投影媒体的运用在中学物理教学中，运用光学投影媒体，应注意选择适合的教学内容，注意与其它手段相配合，要充分发挥它的优势.例如，液 压 刹 车 （ 原理）是师生在生活中很少直接看到的，利用静止的挂图很难讲清它的动作过程；而利用彩色活动幻灯片，教师边操纵边演解，不仅提高了学生的兴趣，而且使学生看到脚踩下踏板时，通过杠杆带动活塞杆的运动，活塞杆又推动活塞，挤压主油缸中的油，并通过液压传动，使分油缸中两活塞连动刹车靴向两边张开，紧紧顶住制动轮箍，从而实现刹车. 又如抽水机的原理，向心加速度的方向可以用幻灯演示.利用复合幻灯片，可以成功地表现出同频率、同振动方向的两列相干波的叠加，以及干涉图样的形成和它不随相干波的传播而改变的稳定性. 教师在放幻灯片的过程中，层次分明、重点突出地解释了光的干涉的全过程.又如，在横波的教学中，采用模拟的投影片，可以较好地作辅助说明. 这种投影片是i种重叠式动片. 基底片是一张绘有等间隔不透光条纹的画片. 如图1 1 —1所示. 将其中的一条透光条纹着红色或其它颜色. 动片上绘有一条正弦曲线，如 图（ b ）所示. 投影时将两片重叠，水平地向一个方向拉动动片，即可以从投影屏上看到横波的传播现象. 注意观察红色纹中的质点，可以看到它只是围绕平衡位置做上下振动，而不发生横向迁移. 由于拉动可以逐段进行，因此有利于比较某一时刻各质点的状态.红色透明条IIIIIHIIII黑底秀明条纹（ b）黑条纹Q ）乙, 二. 丁,黑底透明条纹（ C）图1 1 - 1运用光学投影媒体还可以将许多相关的物理知识综合在一起进行有效地复习 . 例 如 ，我们利用一张表现光在两种不同介质界面上的现象的活动幻灯片，可以准确、快速、形象、定量地复习光的反射定律、折射定律、临界角和全反射现象.运用光学投影媒体还能投影实物，把那些通常受尺寸限制不够明显的、不容易成功的实验现象成功地显示出来. 例如，进行水波、电力线、磁力线的投影. 使用投影验电器做某些静电实验、容易解决绝缘问题，灵敏度和可见度也都比较好，但不要把演示实验都列入投影的范围，因为投影与直接的演示比较,有不够全面、缺少立体感和难于显示教师示范动作的缺点.近年来. 投影教具发展较快，它集中了实物、模型和幻灯的优点，真实感强，可见度大，体积小，能体现动态过程，又能加强通常演示实验的效果.§ 3电视媒体的运用电视媒体是指电视机、录像系统和视盘系统等电教媒体. 它表现手法丰富多样，不受时空限制，是目前社会和学校教育、教学中运用最为广泛的媒体.1 .电视媒体的特点（ 1 ）具有声、形、色并茂的特点.能够吸引学生的注意力，激发学生的兴趣. 运用得当，常可使学生在兴趣盎然中接受知识.（ 2 ）可以直接表现自然界和实验室中各种各样的物理现象及变化.可以再现大至宇宙空间的星球运动，小至原子内部微观运动的表现. 这就极大地扩大了学生的感知领域，不仅为认识物理概念和规律创造了有利条件，而且增长知识，开阔眼界.（ 3 ）可以使用各种电视摄像与电子特技手法，可以使画面产生特殊效果，可以扩展和压缩时空，按教学的需要组织画面内容，例如用显微镜摄影手段可以将微小的肉眼看不到的现象、过程放大并清晰呈现出来，化小为大，而用普通摄影镜头则可将宏观事物缩小呈现在电视屏幕上，化大为小. 可以使快变慢、慢变快；可以使静变动、动变静；可以从不同的侧面、不同的角度拍摄；可以用插入、并列、对比的手法和其它各种特写镜头，从而可使教学中要表现的对象更突出、更生动，便于学生观察和理解知识.（ 4 ）运用电视媒体可以弥补课堂实地演示所受空间和时间等限制，与实验配合，提高教学效率.2 .电视媒体的运用在物理教学中运用电视媒体；一定要注意发挥它的特长.（ 1 ）恰当选题.运用电视媒体，选择恰当题目，首先要注意的是突出重点. 在物理教学中,有许多的物理现象和过程乃是教师根本无法在课堂上讲清楚的，这些往往正是教学的重点知识，利用电视媒体教学，却是一种十分重要的教学补偿手段. 在适当时机利用电视媒体教学可以突出重点，起到事半功倍的效果.例如，发电机是把机械能转化为电能的机器，是当今社会中最重要的电源之 一 . 在中学阶段作为重点内容来讲授. 但要教师真正讲清楚其构造与工作原理以及实际应用并不容易，若借助电视媒体与教师讲解的有机结合，往往收到良好的教学效果.又如，带电粒子在匀强磁场中的运动，在教学中插播电视录像片来展现运动电荷在匀强磁场中受到洛仑兹力的具体动态过程. 在屏幕上显示出电荷在磁场中缓慢的运动过程，形成一个匀速圆周运动的轨迹. 有助于学生对电荷做匀速圆周运动的物理图景的理解.其次，选题要有助于突破难点. 在物理教学中，有些知识的难点，若利用电视媒体的教学手段，则有助于突破难点.例如，内燃机的四个冲程，教师虽然借助模型讲授，但学生往往难以建立四个冲程的物理图景，若采用电视媒体教学手段，则容易使学生建立一个鲜明的物理图景. 突破教学难点.又如，学生已有自由电子是金属导电的微观机制的初步知识. 但是，这种抽象化的认识往往还不能给学生建立起具体的自由电子动态变化的物理图景，在适当时机插播电视录像片，学生将对金属导电微观机制的认识会更加具体、更加深刻.在选题时，还应注意直观性与抽象性结合；注意选择的内容要联系实际与扩大学生的知识面. 如实际的内容，一方面是自然的，生产的、生活中的实际内容. 例如，怎样观察水的沸腾现象，如何认识发电机的原理和实际应用等；另一方面是科学技术的实际内容. 例如，超导体、气垫船、激光技术、红外应用，宇航员飞行中的失重现象，阿波罗号登月飞行情况等. 利用电视媒体教学可以收到良好的效果.( 2 ) 要注意电视媒体与实验教学的配合.电视媒体虽有声、形、色并茂的特点，但学生看到的毕竟不是实物. 因此,不能用它来代替演示实验. 更不能代替学生动手操作的实验. 要注意与实验教学的密切配合. 只有这样，才能发挥电视媒体的优势，调动学生的积极性，获得好的教学效果.( 3 ) 要注意播放时间与方式.通常，在课堂教学中，不宜大段地长时间连续放映录像. 需根据教学实际情况安排. 要注意播放的时间与整节课时间的配合；播放的方式可以灵活处理,如插播等，总之电视媒体使用应当根据教材的内容特点和学生的实际情况来决定 .§ 4 计算机教学应用我国近几年来，许多学校纷纷进行着计算机辅助教学的研究，也取得了不少成果. 无论是从历史的发展，现在的状况，还是从未来的前景来看，计算机辅助物理教学在物理教学形式体系的不断丰富、充实、发展和新技术力量的推动下，将成为一种富有特色的新型教学形式.1 . 计算机作为教学媒体的特点( 1 ) 记忆存储.它能够存储大量的教学信息，如各种类型的教学内容、测验试题、标准答案、统计数据、学习档案等，并可随时提取，供师生使用.( 2 ) 逻辑判断.它能够自动对学生的学习反应作出评价、判断，并能给出相应的决策，可以有效地指导教师和学生的教和学.( 3 ) 高速运算.它能高速并且准确地进行运算，这就有利于统计、判断和分析处理各种教学信息.( 4 ) 自动运行它可以自动地执行教学设计的每一步运行，有利于实现个别化教学.( 5 ) 信息交互.它可以把教师的需要和学生的学习反应输入，并能即时呈现相应的输出信息，这就成为一种信息交互系统，使教师和学生都可直接介入教学活动，提高教学效果.2 . 计算机作为教学媒体的运用计算机作为教学媒体在物理教学中的运用，一般又称为计算机辅助物理教学，就是利用计算机系统的特点，在一定的教学模式下，向学生输送学习信息( 它包括文字、图像和音响等) ，形成一个特有的学习环境，在这种环境中，学生感觉到自身的一种强烈的求知欲望，借助人机之间的信息交换，进行物理内容的学习. 这里所说的“ 学习环境”，一方面是由计算机教学软件设定的，另一方面也是由在学习过程中学生和计算机之间的相互作用所决定的. 而后者的作用使计算机教学富有更深的意义. 可以这样说，离开了相互作用( 当然还有 其 它 因 素 ) ，计算机教学将会失去令人向往的魅力，也就与其它某些教学形式没有多大差别，从而不可能形成一种新的教学形式. 因此，相互作用这个因素无论是在计算机教学软件设计上，还是计算机教学试验中，都是不可忽略的.计算机辅助物理教学- •般可分为下面儿个教学模式：①模拟模式.②对话模式.③练习和问题解决模式.④测验和考查模式.下面几节将分别介绍这几种模式的计算机辅助物理教学.( 1 )模拟模式计算机辅助物理教学.这里说的模拟，也就是仿真，即用人为的手段去模仿自然的某一现象或某一过程. 这种手段在物理学研究中也时常被用到. 自然的某一现象或某一过程由于种种原因不易被觉察或者觉察受到外界许多因素的限制，因此利用人工的方法，由人造设备将这种现象或环境模拟、再现出来，为研究提供方便. 同样,在教学中有许多物理现象和物理过程不易在通常的教学条件下获得，通过模拟向学生再现自然的这些物理现象和过程，提供学生直接经验及与被研究环境相互作用的机会，对学习物理会是一个很大的帮助. 计算机模拟模式的辅助教学也就是在这个基础上进行的. 由于计算机的模拟能力很强，所以，一般教学中的物理现象都可用计算机进行模拟，而且能获得较好的效果.例如，热学和分子物理教学中的布朗运动，由于颗粒的悬浮运动不易被观察，而用计算机图像模拟悬浮颗粒的布朗运动，就会有直观的效果. 下面请看这一内容的模拟分析.我们知道，悬浮颗粒的布朗运动是由于无规则运动的气体分子同它发生碰撞所致. 设质量为M的布朗粒子，具有的初速度为V ,在质量为m、平均热运动速度为u的二维气体分子作用下运动. 在气体分子和布朗粒子作用瞬间，忽略外力作用的影响，设定碰撞是弹性的，满足动量守恒和动能守恒. 这样就可以得到碰撞后的布朗粒子速度：V1 = V+ ( m /( M+m) ) (u -u7 ) . (1)图 11-2图 11-3式中U 和 U ' 分别为碰撞前和碰撞后的相对速度. 以布朗粒子为参考点， 碰撞情况如图11- 2 所示. 。

是 U 和 u ' 的夹角， 又因是弹性碰撞， 故| u ' | = | u | . 由图 11 — 3 可知：u ' = u c o s 0 + u e s i n 9 .这里e 为与u 垂直方向的单位矢量. 从而 ( 1) 式可写成：V ' = V + [ m / ( M + m ) ] [ u - u c o s 0 + u e s i n 0 ) ]= V + [ m / ( M + m ) ] [ u ( l - c o s 0 ) + u e s i n 9 ] . ( 2 )若设外场作用力为M a , 又设第NT次碰撞到第N次碰撞时间间隔为T,则第 N次碰撞后的布朗速度：VK=VZ+ [ m / ( M + m ) ] ( l - c o s 9 N) + us., , e s i n 9 + a T ( 3 )相应的位移应为R s = R s - l + V s „. ( 4)将 ( 3 ) 和 ( 4) 的二维矢量式改写成在x y 方向的分量式，然后解出方程，即可获得一次碰撞后的速度和位移.学生在用计算机模拟学习时， 一开始即要输入欲观察的布朗粒子质量M 、 初始速度V 、热运动的分子质量m 和平均热运动速度u,以及外场作用情况. 计算机接受这些数据后，即随机产生一个碰撞角0 , 一次解出上述方程( 3 ) 、( 4 ) ,并将点对应的值在计算机图形中画出来. 以后，用V 、 代替V 、 」 代替R 、 i 再运算一次，又解出一次方程( 3 ) 、 ( 4 ) ,又将点画入图中. 这样反复进行下去，学生将在屏幕上看到布朗粒子的无规则运动或布朗粒子的速度大小、 方向变化. 如图 1 1 - 4 、图 1 1 —5 所示. 学生在学习过程中，可以不断重复进行观察，可以改变各个参数的输入，从而观察分析布朗运动发生的变化. 在不断的比较分析中，进一步认清布朗运动的机制，更深刻地体会布朗运动是气体分子无规则热运动的体现这一实质.图 11-5同样，对电子、光子、基本粒子等均可以用计算机进行模拟，这种模拟就好像学生自己亲眼看到了运动一样形象、直观. 而且学生能够控制参数、改变状 态 . 因 此 ，这种模拟是很广泛的，对教学也有很大的帮助.计算机模拟还能进行物理实验教学. 有许多实验由于条件限制不能在教学中让学生亲手去做，用计算机模拟实验去代替教师口头语言对实验的描述，对学生的学习会有相当大的帮助，物理实验的模拟要求计算机向学生提供一个实验的环境，就好像真的在实验室中一样. 学生去操作控制实验并得到实验结果盾Alpha Source ［ 1uThis is the device of theexperiment图 11-6例如，a粒子散射实验就是 个利用计算机模拟的理想实验. 请看图11-6,计算机终端屏幕上显示出进行这个实验的基本设备. 在提供的实验设备下，学生可以通过计算机键盘控制a粒子的发射，掌握发射a粒 子 的 数 目 . 在a粒子发射过程中，学生则注意观察a粒子在碰到金箔F后被散射的轨迹，计算机以动态图像再现了 a粒子发射出去与金箔碰撞并且被散射后的运动整个过程. 除了学生眼睛观察粒子轨迹外，计算机自动记录下了轨迹情况，在每次发射完后显示出这次的粒子散射角分布表，如 图11—7所 示 （ 图中为某次实验得到的结果）. 从表中学生可一目了然地知道这次发射的情况，从而决定下次应发射的粒子数目，继续进行实验直到得到理想的结果.EXPERIMENT RESULT0< 0< 1515< 0< 9090< 0< 180T0TAL4792 221 4 50204792/5020 221/5020 4/5020(* 9 THESCATTEREDAAGLE*)Press spacbar to continueE l 1-7由此可见，这样的计算机实验模拟大大改善了学生获得对概念及理解概念的途径，使学生处于“ 真实环境”之中进行相互作用，获得对自然现象和过程的直接经验和认识.下面再举一个这方面的例子. 在原子物理中原子核裂变反应的教学中，让学生进行裂变反应实验是不可能的. 可是利用计算机，学生就能够像真的一样进行原子核裂变反应的研究. 诸如颂U的裂变：■ U+； n f . X e + 黑 S r+ 2 j n .2 刀在中子的轰击下，分裂成两个较轻些的原子，同时又放射出儿个中子并伴有大量能放出. 正由于有这些新的中子的放出，使这个反应继续下去，形成所谓的链式反应. 计算机模拟能很形象地将这个反应过程动态再现出来，如图1 1 一8 所示. 学生在学习过程中控制中子的发射，从而控制整个反应. 在这个基础上，学生还能在计算机上进行原子弹爆炸实验，如图H—9 所示. 让学生控制移动中间的反应物质，一旦它们合在一起后，总体积超过了临界体积，随之而来的是链式反应发生，即原子弹爆炸. 这样的学习会使学生的学习气氛生动活泼，也会大大激发学生的学习兴趣，为深刻理解理论打下良好的基础.图 11-9下面，介绍另一类的计算机模拟辅助物理教学.我们知道，在静电场中，电力线和等位线是研究场强和电位的有效手段，也是教学内容的重点. 在一般教学中，往往只能进行较为简单的电荷、带电体的电力线的演示，效果不甚理想. 利用计算机模拟则非常灵活，它可由学生自己决定电荷的分布及其所带电量情况，对于每一种不同的情况，计算机均可用图形模拟出电场分布的电力线和等位线图. 可以进行不同情况下电场分布情况的比较，会加深学生对场强、电位以及它们与电荷源之间关系的理解. 学生改变电荷源的分布，改变电荷量的大小，则计算机就能画出改变后的电场分布图 . 图1 1 —1 0是某三个电荷如图中位置安放时形式的电场分布图，可见非常形象直观.类似这种模拟在物理教学中的运用是非常广泛的. 诸如磁力线的模拟，流体力学中液体流线和气体流线的模拟，各种各样物理运动图线的模拟等等都能利用计算机来完成. 另外除了在位形空间的物理图像模拟外，计算机还可以进行非位形空间，诸如相空间图线的模拟. 总之，这种模拟在物理教学中应用是非常普遍而实用的.图11-10从上述儿个例子可以看出，计算机模拟辅助物理教学，有物理实验模拟、物理过程模拟、物理图像模拟等几种类型. 因此在研制计算机模拟物理教学软件时，就要先确定物理内容，看它应该属于哪•种类型. 一定要根据不同类型的教学特点，设计编写整个程序流程，比如实验模拟就要设计成一个让学生像在实验室中进行实验一样，在计算机上进行物理实验. 而物理过程模拟则要求将整个物理过程真实地再现出来，同时应让学生控制这个过程以及过程可以不断重复进行等等.计算机模拟的教学形式在计算机辅助物理教学中占有较大的比重. 由于物理学内容的特点，使模拟模式的计算机教学具有更高的教育价值，对改进充实课堂教学有着明显的实际效果，从我们应用的实践来看也更为容易受到教师和学生们的欢迎. 另外，这种模式的教学软件研制相对也较为容易，程序设计上没有什么十分严格的要求和限制. 使用的编程语言既可以是P A S C A L ,也可以是B A S I C ,或 者F O R T R A N等. 在编制时可根据内容的要求、各种语言在指定计算机上的各方面功能以及使用者对程序语言编程的熟练程度等几个方面进行选择.（ 2）对话教学模式的计算机辅助物理教学.对话模式的计算机教学形式是指以学生和计算机之间的对话为主体，在不断进行的提问和回答中，学生进行学习. 这种模式的计算机教学也造成一种环境，即不断思索，回答问题，分析错误的环境；一个促使学生对问题进行判断、进行形式推理的环境. 这种教学模式的计算机教学可针对程度不同的学生在学习中安排不同程度的内容. 也就是说计算机根据不同程度学生的不同回答，给出不同的提示和不同的新问题，有效地帮助学生学习. 因此，如果说模拟模式的特色在于对研究对象的直接经验，则对话模式的特色在于个别化教学. 读者可以从图11-11中看出计算机对话在个别化教学和相互作用上与其它儿种教学形式的差别. 可以说，从个别化教学角度去看，计算机对话辅助学生学习意义是非常深远的. 下面请看这方面的例子.请 问 ： 一个物体受到一个恒力作用， 这个物体将一定做什么运动？ （ 从下面选一个正确答案）1静止运动2 . 匀速直线运动3 . 匀加速直线运动4 . 匀减速直镂运动5 . 匀变速曲线运动图 11-12正电荷在电场Uh UI力作用下一定=t从 Ul—Uh ?话 问 ： 上述说法对不对？图 1-13图7—12是程序运行开始的一个画面. 有五种答案让学生选择，选择他们认为正确的一种. 当然学生可能选择其中任一种，而决不会大家都选择同一种. 针对学生的不同选择，计算机出现的反应如下：学生选择计算机反应1那么自由落体运动呢？2不对！匀速直线运动合力为零.3不一定非得是这种运动，你再想想.4你再考虑一下自由落体运动.5不对！ 请注意是指受到一个恒力. 大小、大向都不变的力 .计算机作为一个教师，最后对问题的态度是： “ 在这种条件下，究竟做什么运动？下面进一步研究” .接着清除图n —12屏幕，显示出如图11—13所示的画面. 图中右边是一个均匀电场的电力线图，左边是向学生提出的问题，光标停在问题的下方等待学生的回答. 下面是计算机对学生不同回答的反应：学生回答计算机反应正确用图示从Uh向UI发射正电荷的过程不正确演示将负电荷放在UI某点并向Uh运动过程V 0=0上述正确 ―>------ ---- >Vo* O则不正确 :因此， 与初始状态有关图 11-14m 令 ^ 此 时 兴 = 。

v问此小球将做什么运动？图 11-15问题似乎有点奇怪，学生回 答 “ 正确”或 “ 不正确”都不对，到底应该怎样回答？这时屏幕出现了如图11—14所示的画面，并用图形演示了各种情况下的运动.对话的第二个阶段是计算机向学生提出了一个新的问题，如 图11 —15所示. 下面是计算机对学生不同回答的反映：学生回答计算机反应自由落体分析自由落体受力和图示情况相比较（ 分支程序 ）水平运动重力为什么不起作用？摆动太简单，请再详细些在两个合力方向做匀加速直线运动不太全面，请看下面分析接着的画面如图1 1 -1 6 .以下是学生的回答和计算机的反应:学生回答计算机反应三个力对 ！ （ 转下一步）其它请再仔细分析一下接下去计算机转入图11 —17画面，学生又须回答新的问题. 对问题一，考虑空气阻力情况，学生的正确回答是静止. 而在不考虑阻力情况下，应该是一个以重力和电场力合力方向为平衡中心的简谐振动. 对学生的错误回答，计算机根据各个毛病所在帮助分析，直到学生认识清楚为止. 计算机最后还在设定的条件下，用图形模拟电荷的运动，使学生直观地看到运动情况，并同自己的回答相比较.图11-16球最终运动怎样？L考虑空气阻力2.不考虑空气阻力|b下列条件下， 小£)11-17这个计算机对话的最后一个阶段是小结上面分析的内容，其画面可见图11-18, 1 1 -1 9 .这里的小结也是用对话形式进行的，学生对计算机提出的问题认真回答，直到所有回答正确. 计算机对学生的错误回答又引出新的内容进行分析，使学生明白错误的所在，详细分析这里不再多写. 最后计算机向学生提出一个由学生自由回答的问题，如 图11 —2 0 .可以说是学生对运动状态与受力和初速度关系概括性理解的检验. 当然学生回答这个问题是很自由的，但关键的地方则不可缺少，计算机也就是根据这关键的儿个字或语句判断学生答对了没有. 上述这个计算机对话程序的三个阶段的教学，使学生通过回答问题，思索判断推理，明确了决定一个物体运动状态，不仅取决于物体的受力情况，而且与物体运动的初速度有密切的关系，忽略了任何其中一个方面，都是会出现错误的.当X F=0时l.Vo=O做什么运动？2 .V『Const时做什么运动？g] 11-18当£ F=恒力时LV（）=0时做什么运动？2Vo a 0时又做什么运动？3 .F , V 0=0°时做什么运动？4 .F , V0=180 :时又做什么运动？图 11-19你怎样认识物体运动状态同受力和初速度的关系？图 11-20计算机对话还可以就具体一个题目向学生提问，在学生回答问题过程中,计算机•步步引导学生学习探索. 下面请看一个具体例子.图 11一21是对话程序开始的一个画面，提出的问题是：放在半球圆心的小球 A和放在离0 点很近的小球B ,同时开始向。

点移动，谁先到达0 点. 下面以教学流程图的形式给出学生与计算机之间对话的大概过程. 其中方框内表示学生输入的回答，方框外则是计算机的提问，箭头指明了每一步程序进展的方向. 下面请看这个过程.谁先到达 点 ？ATrB点离 点近为什么？②①A要用多少时间到达0点答重血逐tA = ---= ---g g其 它B要用多少时间到达 点AB对结束最后，计算机还可以将A点的运动模拟一下，让学生结合自己的回答进一步加深对问题的理解.上述两个例子也许已使读者有了一个计算机对话模式教学的概貌，这两个都是关于力学的内容. 其实，计算机对话涉及面是非常广泛的，可以说物理教学中每一个内容均可以进行计算机对话教学. 计算机对话也是计算机教学模式中比较复杂的一种，因为它的设计不仅仅只是考虑教学内容本身，而且更重要的是要深入研究学生学习该内容时出现的不同反应. 计算机对话只有在这个基础之上才能做到对不同的回答给予不同的反应，针对学生的不同程度给予不同的提示，达到个别化教学的目的. 正因为有这种要求，所以计算机对话教学软件制作有一定难度. 进行过计算机程序设计的人一定知道，计算机判断外部输入的文字信息是靠建立在固定字符或字符串基础上的关键字来进行的. 这样，无论在对话的广度还是深度方面，都给编程带来了相当大的困难，虽然已有不少应用软件致力于解决教学常用字符的识别问题，但这方面问题的真正解决有赖于计算机人工智能的发展. 从现代技术发展来看，前景还是令人充满信心的.（ 3 ）练习与问题解决模式的计算机辅助物理教学.练习与问题解决模式的计算机物理教学是让学生以做练习完成问题求解的方式进行学习. 与平常做练习不同的是计算机练习解决问题在学生解决问题的过程中启发学生，帮助学生及时纠正错误，直到问题解决完毕. 这就有点像一个耐心的教师一个学生一样，细致地引导学生，启发学生一步步地完成问题的求解. 不知读者可曾遇到过计算机游戏程序，许多游戏程序也是一种问题解决模式的教学程序，往往就是在不断的摸索练习过程中，突然领悟到其中的奥秘，立即将问题解出的.例 1 , 在一个矩形框中心，放有一个电流从里向外流出的导线，如图1 1 —2 2 所示. 请学生利用一个小磁针，画出导线四周磁场分布图（ 磁感线图）. 对于这个问题，学生可以控制小磁针，将它放在不同的位置，在任何一个位置小磁针N极所指的方向即为磁感线的方向（ 利用计算机模拟效应）. 利用这点，学生应该不断地在许多地方找出磁感线的方向，然后由这些方向来确定磁感线的形状，画出磁感线图. 最后回答计算机提出的问题. 对于这个问题当然是一族以导线为圆心的同心圆. 对于不同情况下的导线分布，也可利用这种方法，让学生去探索发现其磁场分布，这里就不再多谈了.图 11-23例 2 也是一个很简单的例子，如图1 1 —2 3 所示. 从海上一小炮艇向陆地一建筑发射炮弹，设定炮艇离建筑物水平距离为1 0 0 0 m , 建筑物高出炮艇1 5 m , 请问应给予多大的初速度和仰角，才能使炮弹击中建筑物？这也是一个问题解决模式的例子.学生即在不断地尝试中，纠正不合适的初速和仰角，调整输入，直到发出的炮弹击中建筑物为止. 最后还要求学生对炮弹的斜抛运动进行计算，将计算出的准确值输入，再发射炮弹，看与原先的发射有何差别.这样的练习比较简单，但对于提高学生的兴趣，加深学生的印象还是有好处的. 下面再看另外类型的例子.如图11 —24所示，屏幕左方的框中给定了五个电路元件，学生要解决的问题是：将这五个元件连接成一个电路图，使得当变阻器滑动时，其中一只灯泡渐暗，而另一只灯泡渐亮. 学生利用屏幕作图，将元件连接成一个电路.图11-24对于学生作出的图，计算机出示正确的图予以比较，有错则改正，若正确的话，计算机则要求学生再设计一个满足同样条件的另一种电路. 这是因为满足给定条件的电路有四种，如图11—25所示. 学生只有在完成这四个电路设计之后，方能结束这一练习. 显然，这个练习提供给学生一题多解的机会，同时计算机及时纠正学生的错误，引导学生设计出符合要求的图形.•0—I—( S这种形式的计算机练习同样可以用在光学教学当中，如图11—2 6 .计算机屏幕上给出一个主光轴AB.光源S 和 S 的像S ' , 请学生画出S '成像所需要的透镜及成像的光路图.学生应按正确的步骤，画出所要求的图，计算机通过提问和给予正确的答案，判断画的正确与否. 只有学生画的透境类型正确、光路图正确，还有对成像类型、透镜焦距等问题回答正确后，才能说问题解决了，否则学生必须不断地练习思考，重新画图直到正确为止.练习解决问题计算机辅助教学的另一个有益之处是学生感觉到通过自己的努力，终于解决了一个问题，从而获得一种成功的满足，这对进一步深入学习是非常有益的.一般说来，与书面练习相比，计算机练习解决问题有其自身的特点. 计算机有图像，有人机对话，能及时进行反馈. 读者有兴趣不妨也着手设计制作一个计算机练习辅助学习程序，提供给学生，看看到底效果如何.（ 4 ）测验和考查模式的计算机辅助物理教学.关于测验和考查模式的计算机辅助物理教学在此只想作一简单叙述. 实际上这种模式的计算机教学和通常情况下的测验考查相比也就是只多了一套自动阅卷评分系统. 这样一个系统，其实是属于计算机管理教学范畴了. 这里主要讨论以这种模式为内容的辅助教学形式. 这样形式的主要内容就是计算机把一道题显示出让学生解，学生输入问题的解，计算机则又显示出另一道题让学生求解，这样下去直到把该解的题解完. 现在看来要完成这种形式的测验和考查,至少有如下两点限制：一是考题形式的限制，由于计算机评分，不可能将一般任意题让学生去做，应该是一些容易划定对错的题，如选择题、填充题等；二是人机对话的限制，在这种形式下的测验与考查，计算机的识别能力决定了学生输入的数据，再多一点的输入都是多余的了. 从这里可以看出，这种模式的计算机运用掌握得好也是相当不容易的. 如果建立一个计算机测试考核系统，系统包括题库，对学生解答的评定等，则这种模式的运用价值会高得多. 当然,这样的话，相当大一部分内容是计算机管理教学研究的事情. 随着计算机教学应用的广泛深入发展，人们也将会发挥它的作用.上面几节初步介绍了计算机辅助物理教学的主要内容. 当然也可能有别的形式超出这四个模式范围. 这里就不再一一介绍了. 最后，应该明确的是：无论是计算机教学软件的研制，还是使用教学软件进行计算机教学应用，最主要的是研究教学内容和整个教学过程，和实际教学密切配合起来，发挥其帮助学生学习物理的作用.可以相信，计算机辅助物理教学这一新型教学形式，将在不断深入研究的过程中，蓬勃发展起来，必将在物理教学中起着越来越重要的作用.第十二章单元教材分析示例——“ 运动定律”教材分析单元教材分析通常可以进行以下一些工作：根据课本内容，研究该单元教材在整体中占什么地位，教学上具有什么特点，以及内容的系统轮廓；进而确定教学目的，并着重进行教法研究.让我们首先以运动定律一章为例，进行这一系列的教材分析工作.§ 1 “ 运动定律”的地位和教学上的特点1. “ 运动定律”的地位牛顿运动定律主要阐述了力和惯性的概念，说明质点为什么要做这种或那种运动. 它的任务是研究引起物体平动状态变化的原因，以及变化过程中各个有关量之间的关系. 牛顿分析和概括了伽利略、惠更斯、笛卡尔等人已经建立起来的力学实验工作，又根据自己的观察和实验，把质点动力学的基本规律总结为三条定律，即牛顿运动定律. 它是经典力学的基础.从牛顿定律出发，以数学作为逻辑推理的工具，则可以导出一系列其他的重要规律.例如，由牛顿第二定律Fa =— ,m和运动学公式v = v0+ a t .可以导出力对时间积累作用规律，即动量定理F • t = m v —m v °由牛顿第二定律Fa =— ，m和运动学公式v-v02+2as.可以导出力对空间积累作用规律，即动能定理F • S=mv--mvo2.又如，牛顿定律可以应用于刚体定轴转动的情况，从而导出转动定律和角动量定理；以至根据牛顿运动定律可以导出简谐振动方程，进而研究阻尼振动和受迫振动.总之，从牛顿运动定律出发，我们可以得到一系列重要的物理规律，从而建立起完整的经典力学体系.此外，牛顿定律还是进一步学习热学、电磁学等其他部分所必需的知识.因此，这一章在力学和整个物理学中占有极为重要的地位，是中学物理教学中的重点章之一，要求学生能牢固掌握，灵活运用.2 .教学上的特点( 1 )抽象思维性强.例如，牛顿第一定律的建立，虽然是以实验为基础的，但它不能直接用实验加以验证，它是实验、思维、推理和想象相结合的产物. 因此我们在教学中必须重视培养和发展学生抽象思维和科学想象能力.( 2 )运用教学工具来概括、表述物理规律.例如，牛顿第二定律是在实验事实的基础上，利用数学知识总结出的客观规律，用一个简洁的数学公式表达了这个定律的内容和物理本质. 因此，我们必须重视培养学生运用数学工具总结实验规律的能力.( 3 )应用比较广泛.运用牛顿运动定律可以解决质点运动学和动力学的许多问题. 它不仅可以说明、解释、计算一些地面上常见的运动，而且还可以说明、解释、计算一些天空中常见的运动和天体运动. 因此，我们在教学中应对说明、解释物理现象和计算、解题的思路多给学生以指导，培养学生分析问题和解决问题的能力.3 .教学目的在分析了教材的地位、特点之后，我们可以正确地确定本章的教学目的和要求.牛顿运动定律的教学目的是:( 1 ) 使学生牢固掌握牛顿第一定律和牛顿第二定律的基本内容，进一步理解力和质量的概念；( 2 ) 培养学生抽象思维、科学想象，运用数学工具总结和表达实验规律，以及运用牛顿运动定律分析和解决有关问题的能力.§ 2 教法研究教法是为了贯彻、实施教学目的所采取的相应教学措施.1 . 关于牛顿第一定律的教学我们虽然不能用实验直接证明这个定律，但仍然必须从实验出发，以唤起学生已有的感性知识和学习兴趣.首先可以回顾历史，提出问题. 两千多年以前，古人就开始研究力和运动的关系，亚里士多德认为力是维持运动的，有力的作用，物体才有运动，没有力的作用，物体就停下来；在日常生活中，人们也有类似的误会. 于是便得出结论：力是维持物体运动的原因. 这时，教师告诉学生，这 个 “ 结论”是错误的，调动起学生的积极思维，以便澄清混乱，把学生引上正路. 伽利略推翻了亚里士多德的观点，指出了力不是维持运动的，而是改变运动的，是产生物体加速度的原因. 静止的物体受到力作用后运动起来，速度从零变到某一数值，产生了加速度；反过来，运动着的物体受到阻力时会有什么现象呢？我们可以做下面的实验. 参阅图1 2 -1 ,从斜面上下滑的小球， 到底端具有一定的速度v,从这个时刻起，它开始在平面上做直线运动. 通过实验我们看到，如果是沙土平面，小球受到较大的摩擦阻力，运动很短一段路程便停下来( 即速度由v 变为 零 ) ；如果是木板平面，摩擦阻力比沙地小，小球运动较长一段路程以后，速度才变为零而停止下来；如果是光滑的玻璃平面，则小球运动得更远. 于是,我们把学生带入“ 想象”的境界，假如小球在平面上，不受到摩擦阻力的作用,那么，它就在平面上做匀速直线运动.图12T伽利略的这种从实验出发，借助思维想象总结物理规律的研究方法，意义是非常大的. 实验物理实际上是从伽利略开始的. 而经典力学成为完整的理论体系则是牛顿的功绩. 从牛顿第一定律的建立，可以看到物理学逐步发展，逐步深入的状况. 伽利略只概括为：一个运动的物体，如果不受到外力，就做匀速直线运动. 笛卡尔也经过实验总结出：一个运动的物体，在不受到外力作用时，它不拐弯. 只有牛顿才揭示了问题的本质，阐明了 “ 物体有一种属性，即保持原有运动状态的惯性”.进一步，我们需要给学生明确牛顿第一定律的含义：第一，力是一个物体对另一个物体的作用，即力是物体间的相互作用；从力的效果上说明了力是改变 物 体 （ 质点）运动状态的原因，即力是产生加速度的原因. 在讲授中，应当列举一些典型实例，来使学生认识到力不是维持运动的，而是改变运动的，即力不是与速度，而是与加速度有联系的. 第二，任 何 物 体 （ 质点）都具有保持原 有 运 动 状 态 不 变 的 特 性 惯 性 ，从而第一定律也叫惯性定律. 在讲授中，应列举实验来说明惯性的一些应用，一方面巩固知识，另一方面培养学生运用规律，说明、解释现象的能力.2 .关于牛顿第二定律的教学牛顿第二定律是定量地描写力的效果，即确定了受力物体（ 质点）的加速度跟物体所受的外力和物体的质量之间的关系；并定量地量度了物体平动惯性的大小.第二定律的教学，首先也应唤起学生已有的感性知识.例如，同一辆车，用较大的力推时起动快，用较小的力推时起动慢. 起动的快慢反映了速度从零增加到某一数值v用的时间长短不同，即产生的加速度不同. 这个现象说明，对于同一个物体，受到的力大，则产生的加速度大；受到的力小，则产生的加速度小. 使学生对加速度与力的关系有个初步的印象.又如，有一辆空车和另一辆装满货物的车，用同样大小的力（ 设力足够大,能使它们起动）分别去推它们，则 空 车 （ 质量小）起动得快，即加速度大，装满 货 物 的 车 （ 质量大）起动得慢，即加速度小. 使学生对加速度与质量的关系有个初步印象.在此基础上告诉学生，要研究加速度跟力和质量的定量关系，还必须通过实验进行准确的测量. 我们可以使用图1 2 — 2的装置进行实验. 实验成功的关键是：桌面要平滑，小车的轮轴要灵活，总之，要尽量减小摩擦的影响.首先，研究加速度与力的关系. 光滑桌面上放两个相同的小车（ 轴承质量要好！），两车的左边通过拉线固定在同一个夹板上，以控制两车的同时起动,同时停车. 令两小车质量相同为M ,两托盘里的祛码分别为m和2 m ,并M > > 2 m ,放开夹板，使质量相同的两小车分别在m g和2 m g的力作用下，从静止开始做匀加速直线运动；经过一段时间，夹住夹板，同时停住两车，测出两小车分别前进的路程Si和S 2,且得到S 2 = 2S］ ；启发学生手佣已有的运动学公式S = （at2,可得到两车运动路程之比和两车加速度之比相等，即于是得出结论：物 体 （ 质点）质量一定时，物体受到力的作用所产生的加速度的大小，跟力的大小成正比a~F加速度的方向跟力的方向一致.然后，研究加速度与质量的关系. 使一个小车为另一个小车质量的二倍，而令两托盘内祛码同为m ,即测量两个质量不同的小车在相同的力mg作用下的路程关系. 结果测得，质量为2M的小车通过路程是质量为M的小车通过路程的一半，于是得到1a— ——,m即当质量不同的物体所受的作用力相同时， 产生的加速度与质量成反比. 这里，我们还需要引导学生进一步认识质量的概念，相同的力作用在不同物体上,质量大的物体得到的加速度小，它的运动状态难改变，说明惯性大；而质量小的物体得到的加速度大，它的运动状态容易改变，说明惯性小. 所以我们说，物体的质量是它的惯性大小的量度.根据以上实验所测得的结果进行分析，我们运用数学工具概括和表达定律:比例式Fa— —，m表明的物理含义是在外力作用下物体所产生的加速度与它所受的外力成正比，与其惯性大小（ 即质量）成反比. 若把上述比例式写成恒等式，则为a =于是F = —— ma = F = kma.k通过适当的选择和确定单位，可使上式中的比例系数等于1 , 而无单位. 如把 1kg物体产生Im/s?的加速度所受到的力，规定为IN （ kg・m /sj , 则 k=l,并考虑到力和加速度的矢量性，则有F=ma.这种数学变换，比之把a ~ £ 写成F ~ m a,从而导出F = m a ,物理m意义清楚，不致由F〜ma误解为F〜m, F~a.注意给学生强调指出，所导出的公式F=ma,等号两边的物理意义是不同的,只反映量值和方向的关系.若扩展成多个作用力的情况，则有2F=ma.不仅要求学生知道上述公式，而且重要的是，要求学生知道它的建立过程,即从观察、实验入手，经过思维加工，由感性认识提高到理性认识. 同时，要求学生能用准确的语言文字来表述这一物理规律，即物体的加速度跟所受外力的合力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同.最后，还要进一步明确以下儿点：①牛顿第二定律是力的瞬时作用规律，即物体什么时刻受力，什么时刻就产生加速度；什么时刻不受力就不产生加速度；各个时刻都受力，则各个时刻都产生加速度.②第二定律的数学表示式ZF=ma,是矢量式，在解决具体问题时，往往把它写成坐标轴上的投影式，按平面直角坐标有2 Fx= m ax,S F v = m ay.③应用第二定律必须注意单位，在国际单位制中，力学的基本单位是：长度（ m ）,质 量（ k g ）,时 间（ s ）,其他都是导出单位，因此，力的单位可根据牛顿第二定律导出为kg・m / s 2 ,即牛顿，简称牛，用符号N表示.④牛顿运动定律的适用范围. 在物理学发展的过程中，经典力学用来解决很多实际问题时得到的结果都与实际情况相符合，证明了牛顿定律的正确性；但1 9世纪以来，随着高速（ 可与光速相比）粒子进入物理学研究领域和物理学深入到微观结构内部，牛顿定律与实验事实发生了矛盾，这种矛盾由2 0世纪初爱因斯坦的相对论解决了. 因此，我们认识到，牛顿运动定律只是对宏观、低速物体才是正确的，这就是牛顿定律的适用范围.3.关于牛顿运动定律的应用任何一个物理规律的应用，首先是借助它来解释一些物理现象，说明或解决一些实际问题. 在课堂教学中，通常是以练习题的形式出现的，其目的是要巩固、加深、活化物理知识. 牛顿运动定律是中学物理中最早接触的重要规律,所以在选配练习时，先不要追求题目的数量和难度，而要突出分析问题、解决问题的思路和方法. 而且这种思路和方法不是凭空想出来的，而是根据规律本身的物理内容自然得出的.从牛顿第二定律的数学表达式X F = m a我们知道，上式左边表示被研究物体所受的合外力；上式右边表示的不是力，而是研究对象运动状态的变化；公式中间的等号表示两边量值相等. 可见,这一规律说明了研究对象受到外力作用时，它的运动状态必然要改变，具体给出了研究对象所受合外力2 F、研究对象的质量m和研究对象所产生的加速度a之间的量值关系. 因此解决问题的思路和步骤是：第一，确定研究对象. 主要根据问题的要求和计算的方便来确定，例如，体重为6 0 0 N的人站在升降机内，当升降机以加速度a上升时，求人对升降机的压力等于多大？取谁为研究对象？题目要求的是人和升降机之间的作用力，所以根据问题的要求取升降机或人都可以. 但若取升降机，则因为它受的三个力（ 一个重力，两个弹力：人对升降机的压力和钢绳对升降机的拉力）都是未知的，计算很不方便，甚至计算不出来. 因此考虑到计算方便，应选取人为研究对象.第二，分析研究对象受力情况. 这样就可以求得研究对象所受的合外力，解决了等式左边的问题.第三，考虑研究对象运动的状态变化情况，即有无加速度，从而解决等式右边的问题.第四，规定正方向或建立坐标系，列方程，求解.例 1 试分析，平抛运动的物体是不是匀加速运动.这个问题我们在概论中曾经接触过，现按上述解题步骤加以分析.首先选取平抛物体为研究对象，并视为质点；其次，对质点进行受力分析，在不计空气阻力的情况下，它只受一个竖直向下的重力m g；第三，由于平抛物体做曲线运动，其运动速度随时在改变，从而有加速度,设为a ；第四，取向下为正方向，根据牛顿第二定律可得m g= m a ,由此得出a = g.因此，平抛物体的加速度为重力加速度，又由于该物体在各个时刻所受力的情况完全一样，所以得知平抛物体的运动是匀加速运动.例2 质量为m的物体放在倾角为6 的光滑斜面的顶端， 如图1 2 - 3所示. 从静止开始下滑，试分析下滑的加速度为多大？yNx、_ _ _ mg图 12—4取该物体为研究对象，并视为质点.在没有摩擦力和忽略空气阻力的情况下，物体共受两个力：竖直向下的重力m g, 垂直于斜面向上的支持力N , 如图1 2 —4 所示.物体沿斜面向下有加速度，设为a ；建立坐标系，取沿斜面向下为x 轴正方向，垂直于斜面向上为y 轴正方向;根据牛顿第二定律在x 轴上的投影式得到m g s i n 9 = m a ,所以a = g s i n 9 .总之，为了培养学生这种分析、思考问题的方法，我们应要求，无论多么简单的问题都要严格地按上述正确的思路和步骤，不要想当然、乱套公式.此外，为了加深对牛顿第二定律的理解，可以给学生介绍隔离体解法. 隔离的目的是为了把原来的内力变为外力，以便应用牛顿第二定律来解.例 3如图1 2 — 5 所示，光滑平面上放有靠在一起的两物体m、m “ 外力F从左向右施加在m , 上，使他们一起水平向右做加速运动，求 n和 n t 间的相互作用力等于多大？* m2图 12— 5我们知道，牛顿第二定律中的作用力只涉及外力. 如果选m , 和® 整个系统为研究对象， 则m , 和队之间的作用力便是系统的内力， 不能用牛顿定律解决. 如果我们把系统中的各部分隔离开来，分 别 取 和 0为研究对象，则m , 和叱之间的作用力就成了 m或队所受到的外力. 因此，要使学生明确，隔离法的实质就是把对整个系统来说是内力的力，经过隔离，变为外力，从而应用牛顿第二定律.根据以上分析，分别取m ,和队为研究对象，并视为质点.按题意，令其加速度为a,方向沿水平方向；取水平向右为坐标正方向，则根据牛顿第二定律列方程：F —F2 1 =m i a ,( 1 )F i 2 = m 2 a .( 2 )根据牛顿第三定律有I F2 1 | = |F ” I ,( 3 )由式(1)、(2)、( 3 )解得进一步可以引导学生考虑，在这个例题中，如果构成系统的m和m /乃然相互接触着放在光滑平面上，但先后从左方和右方给系统施以一个水平作用力F ,使系统在两种情况下产生的加速度a是大小相等的，然而，这两种情况下，m ,和他之间的作用力是否相等呢？如果学生不从基本概念和规律出发，只凭想当然地判断，很可能得到两种情况下n和此之间相互作用力相等的结论. 实际上这是错误的. 应当让学生自己来分析错在哪里，并引导学生得出正确的结论.应该提起注意的是，考虑到中学生的知识和能力基础，对连接体的问题，i般只涉及两个物体相连的情况，对多个物体相连的复杂问题，不宜展开.如果学生基础比较好，则也可以给学生( 或个别好的学生) 分析类似下面的练习题.0 1 2 -7图 12-8例4两物体叠放在水平桌面上， 如图1 2 -7所示.m,=2 (kg) , mB=l (k g ),A和B之间的摩擦因数为口 =0.5, B和水平桌面摩擦因数口' = 0 .2 ,当用F=12( N )的水平力拉物体A时，求：A、B两物体的加速度各为多大？ A、B两物体间的摩擦力f为多大？ ( 为计算方便，重力加速度以lOm/sz计)关于这个问题，有很多学生这样来解答：分别选取A和B为研究对象，进行受力分析，如图12—8所示，取向右为坐标轴正方向.A物体受力： 水平向右拉力F=12N,B给A的摩擦力( 向左)f=2X 10X0. 5=10NB物体受力：A、B之间摩擦力( 向右)f ' =10N ,桌面给B的摩擦力( 向左)f " =(2 + 1 ) X10X0. 2=6N,根据牛顿第二定律F=ma,对 A 有：12-10=2a,„ 得 a、=l (m/s2) .对 B 有：10-6= laB,得 a,=4 (m/s2) .A、B之间摩擦力:f= f' =10N.对这个结果进行检验表明，因为求得a , > a ”则A 相对于B 应向左运动，而B 给 A的摩擦力也是向左的， 于是运动方向与受力方向发生矛盾， 结果是错误的.错在哪里？为什么会错？告诉学生，这是因为这种问题的物理过程在计算之前是不清楚的，即两个物体有没有相对运动，是不清楚的，因此，错在武断地认为它们之间有相对运动. 那么，怎样解答这种问题呢？在具体的物理过程不清的情况下，允许我们先假定( 例如事先假定A和 B 之间有相对运动) ，但是，对所得结果必须进行讨论. 如果讨论结果是合理的，则说明假定是正确的;如果讨论结果不合理，则说明这个假定是错误的，应按另一种可能情况进行计算. 上题中，通过对结果的讨论，表明两物体之间没有相对运动，应按如下计算：A、B 之间无相对运动，这时，A、B 之间存在着静摩擦力f, f 的大小是不知道的，分别对A、B 进行受力分析，根据牛顿第二定律，列方程得到1 2 -f = 2 a ,f - 6 = l a .由上两式解得：a = 2 ( m / s2) , f= 8 N .总之，无论选配什么样的练习，都要不仅巩固、活化概念，而且要提高学生分析问题、解决问题的能力.第十三章“ 动量”教材分析动量课题的教学，可以安排在牛顿运动定律这一章之内，作为最后几节课的教学内容. 由于动量概念在近代物理学中应用较多，为了适当地展开，也可以单独安排为一章，以突出其重要性.§ 1 “ 动量”的地位和教学上的特点1 . “ 动量”的地位早在牛顿运动定律建立以前，人们为了量度机械运动的“ 运动量”，就引入了动量的概念. 这首先是在枷利略研究打击、碰撞问题时提出的，后来笛卡尔初步总结了碰撞规律，提出了动量守恒的思想，认识到动量是质量和速度的乘积，但没有揭示其矢量性；惠更斯、马略特纠正了笛卡尔结论中的缺陷，并正式建立了动量守恒定律；牛顿研究第二定律最初就是用动量概念来表达的，其数学形式为l dmvF = ----- .dt即物体所受的外力等于其动量的变化率，力的方向与动量变化的方向一致.牛顿第二定律所描述的是力的瞬时作用规律，而动量定理所描述的是力对时间的积累作用规律，其数学表达式为当 F 令 产 0 时，mv=C,即动量守恒定律. 不论对一个质点，还是对质点组，只要满足合外力为零的条件，那么，系统的总动量是保持不变的.动量定理和动量守恒定律是力学中的重要规律，它比年顿运动定律具有更大的普遍性. 牛顿运动定律不适用的领域，例如微观粒子方面，动量定理和动量守恒定律仍然是适用的. 此外，在研究碰撞和反碰撞问题时，利用动量定理和动量守恒定律，只要知道碰撞前、碰撞后的状态就可以了，不必去考虑相互作用过程中复杂的细节，给解决问题带来了很大的方便. 无论在日常生活、工农业生产中，还是在今后学习物理学其他部分以及高能物理等领域的科学研究中，都有着重要的作用. 因此，本章是力学教学中的重点章之一，要求学生牢固掌握.2 . 教学上的特点①虽然打击、碰撞现象到处可见，但学生在学习本章内容之前，并不了解它们的具体过程，更不能从物理学的角度进行分析，因此，在教学中必须对一些物理现象（ 如两个小球的碰撞）具体分析，把每一变化的细节揭示出来，使学生获得具体的感性知识，以便正确地理解和掌握有关概念和规律.②本章的一些概念容易与已有的概念混淆，如动量和动能，动量守恒和机械能守恒，动量定理与牛顿第二定律，等等. 在教学中必须对一些概念和规律,阐明它们的联系和区别，以及不同的适用条件.③动量这部分内容无论在日常生活或工农业生产中的应用是很广泛的；而且该章安排在牛顿运动定律、功和能之后，因此在本章最后应初步培养学生综合应用的能力，要结合实例教给学生说明、解释、分析、计算综合性问题的思路和方法.§ 2 教法研究1 . 关于冲量、动量概念的引入和建立由于动量定理和牛顿运动定律存在着内在的联系，我们可以从牛顿定律出发，分析实验事实得出冲量和动量的概念，也可以用其他方法直接从实验过程导出.例如，对于同一辆车，我们先用一个较小的力从静止推它，使达到某i速度，测出所用的时间；然后，再用一个较大的力推，测出达到同样速度，需要多少时间. 这样多次实验的结果表明，当使物体从静止达到一定的速度时，不同的作用力和所需的相应时间的乘积(F- A t )是一个恒量，物理学上把力和力的作用时间的乘积定义为冲量，它是一个矢量. 在国际单位制里，冲量的单位 是N , s.再对质量不同的静止小车，用相同的力作用相同的时间，即小车受到同样的冲量，实验结果，它们得到的速度不同，质量大的物体所达到的速度小于质量小的物体所达到的速度. 定量测量表明，在同样的冲量作用下，质量不同的物体达到的速度虽然不同，但质量和速度的乘积(m v)是恒量，物理学上把质量和速度的乘积定义为动量，它也是一个矢量. 在国际单位制里，动量的单位是 kg • m/s,即 N • s.需要指出的是，打击、碰撞中相互作用的冲力不是恒力，而是变力，一般用平均作用力诔示.如果以纵坐标表示相互作用力的大小，横坐标表示时间，则在弹性碰撞过程中，力与时间的关系如图13 —1中的曲线所示. 曲线下和时间坐标轴所包围的面积，表示冲量的大小. 平均力的大小巨可用图示法求 出 . 参 阅 图13—2 ,使虚线的矩形面积等于曲线下的面积，则矩形面积的高就是平均力的大小左进一步，我们就要用牛顿定律来找出冲量和动量之间的关系. 一个质量为m的物体，在合外力2 F的作用下做加速运动，满足关系式SF=ma.F0图 13 -1图 13-2而我们知道，在时间At内，速度的增量和加速度之间满足关系式a =所以有S F A t = m a A t = m v —m v ( > .于是，我们得到，物体所受到的合力的冲量，等于物体动量的增量，这就是所谓力对时间的积累作用规律，物理学上把这个结论称为动量定理.考虑到学生对冲量和动量概念理解上的困难，我们应该多列举一些日常生活中的实例，引导学生进行定性解释，以巩固和应用所学的知识.例如，为什么玻璃杯掉在水泥地上会碎，而掉在草地上不容易碎呢？玻璃杯具有一定的质量，在接触地面前达到一定的速度V”其动量为m v 0 ,掉到地面上以后，速度变为零，从而动量变为零. 在玻璃杯一定的情况下，这种动量的改变量是一定的. 在玻璃杯与地面接触过程中，相互之间有力的作用，这个力实际上是一个冲力，根据动量定理F A t = m v —m v0.如果动量改变是一定的，那么，力的作用时间越短，则平均冲力越大，力的作用时间越长，则平均冲力越小. 玻璃杯掉在水泥地上，硬碰硬，其作用时间相当短，所以相互作用力很大，杯子会碎；而玻璃杯掉在草地上相互作用时间较长，则相互作用力减小，不容易碎了. 又如同样道理，在运输玻璃仪器时,在仪器之间和仪器里面经常充以纸屑、刨花；在邮寄贵重物品时，四周要垫满棉花. 再如，垒球运动员抛掷出的垒球，速度很大，因而动量很大，接球的人若光着手，并固定手的位置接球，受到的冲力会很大，甚至使手受伤. 实际上,接球的人一方面要带上一个有弹性的粗皮手套，另一方面在球和手接触时，手向后撤，这都是为了增长作用时间以减少冲力.在教学中，还可以做一个小实验. 大家知道，把一个生鸡蛋，从高出桌面大 约2 0〜3 0 c m的地方自由落下，当它与桌面相碰时，鸡蛋壳将会破裂. 然而，如果把一条毛巾打开铺在桌面上，让生鸡蛋仍从高出桌面大约2 0〜3 0 c m的地方自由落下，结果怎样呢？演示给学生看，将会引起学生极大的关注. 实验表明，鸡蛋壳完整不破. 进而可以引导学生分析、解释.除定性说明解释现象之外，还要通过概念题、计算题来培养学生运用的能力.例如，一质 量m = 0 . 1 k g的小球，沿水平方向与墙壁碰撞，碰前速率为v F l O m / s ,作用时间t = 0 . I s .碰撞后，小球以同样速率向反方向运动，如 图1 3-3.求小球给墙壁的平均作用力.为了解题方便，我们自然选取小球为研究对象，当小球给墙壁一个作用力时，墙壁同时给小球一个反作用力，方向与小球运动方向相反. 建立坐标系，选水平方向向左为正方向，在作用时间t内，小球受到的冲量为F t ,小球和墙壁相碰前后的动量变化为m v —m v < > = 0 . 1 X 1 0 — ( —0 . 1 ) X 1 0 ,所以有 F t = O . 1 X 1 0 + 0 . 1 X 1 0 = 2 ( N • S ).图 13 -3由此可以求得小球受到的平均作用力F = 2 0 N .再根据牛顿第三定律，可知小球给墙壁的平均作用力的大小亦为2 0 ( N ) ,方向是沿水平从左向右.为了使力学的各方面知识联系起来，我们需要给学生指出，动量定理不仅在打击、碰撞的问题中可以应用，在其他问题中照样可以应用. 并可以与其他有关的规律相互联系起来，同一个问题可以有许多种解法.2 .动量守恒定律的教学这部分内容的引入方法也是很多的. 为了培养学生的推理能力，可以直接从已有知识，运用数学工具导出来；也可以采取另一种处理方法：考虑到历史发展的实际情况，动量守恒定律是个实验定律，为了培养学生观察、分析实验的能力，即采取从实验入手的方法.在无摩擦水平气垫导轨上放两个质量分别为明和电的滑块，它们之间有一个用线拴紧的弹簧，如 图1 3 —4所示. 将线烧断，两滑块产生一个反碰撞过程，由闪光照相结果观察两滑块在各时刻的位置. 结果表明，由于m , > m ”所以m这 边 （ 左边）间隔小，u h 这 边 （ 右边）间隔大，由每秒内闪光次数和间隔可得到m , 速度小，n t 速度大，定量计算表明：在相互碰撞前，两滑块静止，总动量等于零，在相互碰撞后， n h 的动量为I m u I , m ? 的动量为I m2v2 | ,且 I m M |=I m2v2 | .这就是说，一个物体动量的改变和另一个物体动量的改变大小相等、方向相反.图 13 - 4进一步通过各种实例总结出：由几个物体组成的系统，当不受外力或所受合外力为零时，系统的总动量保持不变，这就是动量守恒定律.在观察实验和总结规律过程中，应注意：①两滑块相互作用前是指细线被烧断、弹簧尚未恢复形变，但就要开始恢复形变的一瞬间；相互作用后是指弹簧刚刚恢复正常、两滑块还未分开但就要分开的一瞬间. 我们求的速度是滑块在气垫导轨上做近似匀速运动的速度，这个速度就是相互作用后的速度.②应指出动量定理和动量守恒定律的区别，前者说明一个物体或几个物体在受到合外力作用时，它们的动量增量与所受合外力的冲量的关系；后者说明几个物体所组成的系统不受外力或所受合外力为零时，其总动量保持不变. 也就是说，研究对象（ 一个或儿个物体）与其他物体有相互作用时，即受到合外力的冲量作用时，研究对象的动量要改变；而当研究对象不受外力或所受合外力为零时，研究对象的总动量不改变.3 . 关于斜碰两个物体相碰前、后的运动方向，不在它们中心所连接的直线上的碰撞，叫做斜碰. 图1 3 - 5 （ a）所示的两个物体，即将发生斜碰. 在斜碰中，一般的处理方法是把每个物体的速度正交分解为两个分量（ 取两个物体中心连线方向为 x 轴，垂直连线的方向为y 轴），如图1 3 — 5 （ b）所示.图 13-5这样，在y轴方向上不发生碰撞，在x轴方向上发生正碰. 可见，只要掌握了正碰的知识，斜碰问题也就迎刃而解.关于斜碰问题比较复杂，在中学阶段不宜展开. 如果给学生简单介绍一下斜碰情况，其目的是为了扩大学生的视野，把知识学活. 如果学生的基础较好,还可以告诉学生，在斜碰的情况下，动量守恒定律也同样适用，由于动量是矢量，因此，碰前总动量和碰后的总动量都是矢量和，但也不宜布置作业叫学生练习.4 .关于两个物体碰撞时动量守恒问题有些书中常常写道： “ 无论是弹性碰撞，还是非弹性碰撞，相碰物体的总动量，总是守恒的. ”要知道，得出这个结论应当有前提条件. 条件是不受外力 作 用 （ 或合外力等于零）的两个相碰物体，或者，说是孤立系统中的相碰物体，这点必须引起我们充分的注意.因此，我们在教学中，应当把前提交待清楚，即两个不受外力作用（ 或所受合外力等于零）的物体，无论做弹性碰撞，还是非弹性碰撞，它们的总动量,总是守恒的. 否则，前面讲授动量守恒定律时强调了守恒的条件，而在后面具体应用时不加考虑，一方面是不符合科学性原则，另一方面易使学生产生误解.事实上，做弹性碰撞的两个物体的总动量，是不一定守恒的. 例如，一个钢球从很高的地方竖直落下，与放在水泥地上的大理石板做弹性碰撞. 钢球和大理石板的总动量守恒吗？取钢球和大理石板为研究对象，在碰撞过程中，除了它们之间的相互作用内力以外，还受到两个外力：竖直向下的重力和竖直向上的地面支持力N .我们考察一下支持力N的大小. 大理石板共受三个力：重力，钢球给大理石板的平均冲力，地面支持力. 由于大理石板静止不动，从而得知，地面的支持力N要大于重力，其差应等于钢球与大理石板的相互作用力.可见，钢球和大理石板做弹性碰撞过程中，合外力不等于零，而且合外力的大小可以与内力的大小相比，不可忽略不计. 因此，它们的总动量不守恒.当然，上述的例子，不必给中学生讲，但作为教师应当明确，以便在讲授过程中，说话留有余地，5关于两个物体碰撞时动能守恒问题我们已经分析了不受外力或所受合外力等于零的两个相碰物体，无论做弹性碰撞，还是非弹性碰撞，它们的总动量是守恒的. 然而，它们的总动能如何呢？一般的讲法是，弹性碰撞时总动能守恒；非弹性碰撞时总动能不守恒.要知道，无论是什么样的碰撞，在碰撞过程中的各个时刻，它们的总动能i般是不相等的. 使在弹性碰撞过程中，压缩阶段的总动能不断减小，恢复阶段，总动能又不断增大，只是碰前的总动能跟碰后的总能能相等.因此，最好不用守恒这个词，而说对于弹性碰撞，碰前跟碰后相比没有动能损失，更恰当些. 如果说动能守恒，也只能理解为碰前、碰后的动能相等. 教师心中应当明确这一点.6 . 巩固和应用为了巩固和应用本章的物理知识，除了上面所举的一些说明现象、解释现象的定性分析、讨论题之外，还要有适量的计算题和综合题，但在难度上，应掌握适可而止. 通过难度适当的练习题，一方面巩固、活化概念，另一方面培养学生的解题思路和技巧.例如，在一艘静止的、质量为2 0 0 k g 的船上水平射出一颗质量为1 0 g 的子弹，子弹速度为8 0 0 m / s , 求船的反冲速度. 若船运动时受到水的阻力是船重的0 . 0 0 2 倍，船后退多远？首先应使学生明确， 题目所求的两个问题，是属于两个不同的物理过程. 第一个是在船上发射子弹的过程，第二个是船做匀减速直线运动的过程. 两个物理过程的联系是：前者船的反冲速度为后者的初速度. 因此，该题应分两个问题解答.( 1 ) 选取子弹和船为研究对象.子弹从船上射出的过程中，系统在竖直方向上合外力为零，水平方向上不受力，因此，满足动量守恒的条件. 取子弹前进的方向为正方向，发射前两者速度均为零，总动量为零，发射后总动量为mwv .w—Mwvm.根据动量守恒定律有0 = m 齐 v # -M mi v 价 ,所以船的反冲速度为V ” = 0 . 0 4 ( m / s ) .M工修( 2 ) 选取船为研究对象，船做匀减速直线运动.V M 是船后退的初速度，按题意，船的末速应为零. 设船后退距离为s , 力唾度为a , 取船运动方向为正方向，有0 —v t , = 2 a s , ( 1 )又水平方向受水的阻力f = 0 . 0 0 2 M g , 根据牛顿第二定律得到- 0 . 0 0 2 M g = M a , ( 2 )由 ( 1 ) 和 ( 2 ) 式解得s = 0 . 0 4 ( m )又如，参阅图1 3 —6 , 质量相同的两个弹性小球，A 球放在光滑桌面的桌边上，B 球用细线悬挂着，并拉开到距桌面h高处. 放手后，B 球与A 球做弹性碰撞 . 试 求 A 球落到地面时与0点的水平距离0 M 等于多少？从 B 球开始摆动到A球落地，共有三个物理过程： ①B 球从静止开始做圆周运动，直到B 球与A球相碰为止；②B 球与A 球做弹性碰撞；③A 球平抛运动直到落地. 三个过程的联系：第一个过程中B 球的末速度V , 是第二个过程中B 球碰前的速度；第二个过程中A 球碰后的速度u , 是第三个过程A球的初速度.对于第一个过程来说，取B 球为研究对象，除重力外，还受到细线的拉力，在 B 球运动过程中，细线的拉力不做功，从而满足机械能守恒条件. 取桌面为重力势能零点，得即vB = ^ g h . ( 2 )对于第二个过程来说，取 B 球和A 球为研究对象. 它们受到竖直向下的重力 2 m g ；竖直向上的细线拉力T；桌面支持力N . 由于水平方向上不受任何外力,从而在水平方向上满足动量守恒条件；同时，由于是弹性碰撞，所以，碰前和碰后的总动能相等，即没有动能损失.设 B 球碰后的速度为l u , A 球碰后的速度为U“则根据动量守恒定律得mViFraUs+mUA,( 2 )根据碰前、碰后的动能相等，得1—mv23)对于第三个过程来说，取 A 球为研究对象. 平抛运动是自由落体运动与水平匀速直线运动的合运动. 设A 球落地所需的时间为t , 则根据运动学规律H = 1 g t2,得( 4 )设A 球落地时与0点的水平距离为s , 则s = u , • t , ( 5 )由 ( 1 ) 、 ( 2 ) 、 ( 3 ) 、 ( 4 ) 、 ( 5 ) 式可解得s = 2 jh * H .可见，对于一些比较复杂的问题，分析的方法应当是：首先要明确整个问题是由儿个物理过程组成的，每相邻两个物理过程的联系是什么？然后，分别对每个物理过程进行分析研究，仍然是确定研究对象，受力分析，根据过程的特点列出方程，最后，解联立方程，得到结果，必要时进行讨论分析.这里也应当指出，难度过大的、又超出中学物理教学大纲的题目，不宜给学生讲授. 例如，在水平桌面上放一个三角形滑块，夹角为0 ,质量为M , 在滑块的光滑斜面上又有 小木块，质量为m , 如图1 3 — 7 所示. 当木块从斜面顶端滑到底端时，滑块和木块相对于地球的速度各为多大？图 13-7对于这样的题目，是超出中学物理教学范围的. 然而，也有一些同学认为:取滑块和木块为研究对象，由于在水平方向上系统所受的合外力为零，所以满足动量守恒和机械能守恒，设滑块的速度为V ,木块速度为V ,于是得m v c o s O + M V = 0 ,i im g h = —r n v2 + —M V2.2 2( 1 )( 2 )由( 1 )和( 2 )式可解得v和V的数值. 要知道，这样解出的结果是错误的 . 错 在( 2 )式的依据不足，特 别 是( 1 )式本身是错误的. 问题在于题目所要求的木块速度v和斜面速度V都是以地S球为参照系的. 而实际上，因为木块沿滑块下滑时，滑块M向右运动，木块相对于地球的运动方向不是沿与地面成 。

倾角的方向. 这涉及了变换参照系，从而求速度的合成问题.因为木块相对于地球的速度v ,是木块相对于滑块的速度v '和随着滑块运动的速度V的合速度，即v =v ' + V .如 图1 3 — 8所示，v的水平分量应当是一( / c o s 0 -V).所以，( 1 )式应改写为O =MV —m ( v ‘ c o s 0 —V ) , ( 1 ')由 于( 1 ‘)和( 2 )式中共有三个未知量( v , v ' , V),因此，还必须再列一补充方程. 从图1 3 — 8上可以看出，利用正交分解合成法可得v2= ( v ' c o s 0 —V ) 2 + ( v ' s i n 0 ) 2. ( 3 )由( 1 ' )、( 2 )、( 3 )式，可以解得？和V的数值.由此可见，在一般中学教学中，像这种题目是不宜给学生讲授的.第 十 四 章 “ 机械振动和机械波”教材分析学生已经学过：物体在平衡力作用下的匀速直线运动；在大小和方向都不变化的恒力作用下的匀变速运动；在大小不变而方向改变的向心力作用下的匀速圆周运动. 在这一章里，要学习在大小和方向都改变的力作用下的机械振动,以及机械振动在介质中的传播——机械波.§ 1 地位和特点1 . 地位在自然界中，一切具有弹性的物体都会产生振动. 任何机器或结构的各个组成部分都具有弹性，从而都可以产生振动. 例如锻造机械中，在锤头冲压时会引起锤架的振动；各种动力机械，由于材料不均匀或制造与装配上的误差，工作时会引起机械本身、甚至厂房的振动. 振动往往会造成一系列不良后果，如使机件的应力增加，而导致“ 疲劳”，甚至损坏，或影响被加工工件的精度,以至消耗很多不应消耗的能量；但振动现象也常常被人们所利用，如振动打桩机，振动深耕犁等.振动之所以重要，还在于它是波的基础，声学、地震学、建筑学等许多学科都以振动和波为理论基础，至于光波、无线电波、以及物质波等，虽然与机械波本质不同，但其波动规律的数学形式仍是适用的.总之，无论从物理本身讲，还是从它在国民经济中的作用，振动和波的知识都占有重要地位.但是，由于中学阶段的数学知识跟不上，不可能深入展开. 因此，只能根据已有的知识，主要讲授简谐振动的特点、描述和应用，对共振现象、波动、声学方面的知识只做一些定性的介绍. 所以，本章作为牛顿运动定律、功能原理和机械能守恒定律的应用来处理，只适当地扩展有关知识.2 . 特点从教学特点上看，主要有以下两个方面：①振动和波的物理现象，学生虽然并不生疏，但一般没有认真地观察、分析过这些现象的物理过程和物理意义，因此，在教学中必须通过实验，让学生再观察、再认识，进而熟悉并讨论振动和波的有关知识.②在原有的基础上，对物理知识加以扩展. 但由于扩展的一些知识抽象性强，学生不易接受. 例如，在原有运动学知识基础上，为了描写振动，仍要用到位移、速度和加速度，但由于振动本身的特点，又引入了新的概念，如相的概念等，这是教学中的难点. 因此，教师一方面要给学生复习、巩固旧知识，另一方面又要给学生建立描写复杂运动的一些新概念，并把前后知识联系起来,给学生利完整的认识.§ 2 教法研究1 .什么叫做简谐振动关于简谐振动的引入，最好是从观察、实验入手.把一个在直径上有孔的小球穿在一根水平直杆上，在杆上还穿有一条螺旋弹簧，弹簧的一端固定在杆的端点，另一端固定在小球上. 小球在平衡位置0点时，弹簧处于自然长度，如图1 4 - 1 （ a ）所示.把小球拉离平衡位置到达位置B （ 图 1 4 - 1 （ b ））后释放，学生们可以观察到：小球从B向左运动，经 。

到达C （ 图 1 4 - 1 （ c ））, 然后又从C 经 0向右运动，即在平衡位置0的附近往复运动. 但，振幅越来越小，最后振动停止工 W W vVQ ） —二 ㈤B-------------------- ；（ C ）/C/图 14-1在观察的基础上，跟学生一起分析：小球为什么会产生振动？为什么小球会停止振动. 这时，可以告诉学生，这种振幅逐渐减小的振动，叫做阻尼振动进而引导学生想象，如果球跟杆之间的摩擦力和空气阻力越小，振幅减小得越慢，振动的时间就越长. 假如丝毫不受阻力的作用，那么物体将不停地振动. 这种理想化的振动，叫做简谐振动. 也就是说，物 体 （ 质点）在与位移成正比而方向相反的回复力（ F = —k x ）作用下，在平衡位置附近的往复运动叫做简谐振动.明确地告诉学生，简谐振动是一种理想化的模型. 一方面，掌握了简谐振动的规律，便于研究真实振动的情况；另一方面，在可以忽略阻力的情况下，有许多振动现象可以看作为简谐振动，因此，它也具有现实意义.61Olmgsin； ，mg0 1 4 -2一根不可伸长的轻质细线，一端固定，另一端挂一质量为m的小球（ 视为质点），小球在竖直位置处于平衡，偏离平衡位置就做振动，这一装置叫做单摆，如图1 4 — 2 所示. 设小球偏离竖直方向的角度为e, 我们通过动力学分析可以知道，沿小球摆动弧线的切线方向上，重力所提供的“ 回复力”为F = —m g s i n 。

这个力是随s i n 0 的变化而变化的，不满足简谐振动的条件，因此，任意摆动的一个单摆并不是简谐振动. 但是，当我们限定小球偏离的角度小于5时，即8 < 5 有s i n 8 = e, 简单的三角函数给出8 =半，设 O A = x ,取平衡位置0点为坐标原点，向右为x 轴正方向，于是有可见，在摆角很小（ < 5 ° ）的情况下，单摆振动时回复力与位移的大小成正比，而方向相反，所以也是简谐振动.应当指出，可以看作简谐振动的实例，是很多的.例如，参阅图1 4 一3 , 一竖直悬挂的轻质弹簧，其劲度系数为k , 弹簧下端挂一质量为m的物体（ 质点），弹簧伸长为△1 ，并在0点处于平衡，即m g= k△ 1 . 把物体再向下拉动x 距离到A点，然后放开手，则物体在0点附近做上下往复运动. 这种运动是不是简谐振动呢？取物体为研究对象，在 A点时，它受两个力：竖直向下的重力m g和竖直向上的弹性力k （ x + 2M） .取 0点为坐标原点，竖直向下为x 轴正方向，则在A点时，质点所受的合力为X F = m g—k ( x + Al),而m g= k A 1 ,所以ZF = - k x .物体在B点( 即在0点上方一x处 ) 时，也受两个力：竖直向下的重力m g和竖直向下的弹性力k (x-Al),其合力的大小为2 F = m g+ k ( x - A l )= k x .而力的方向与位移方向相反，所以有ZF = —k x .可见，无论物体在什么位置，其所受的合力都总等于Z F = - k x ,满足简谐振动的条件，因此，物体的振动是简谐振动.又如，把螺旋弹簧竖直固定在地板上，如图1 4 - 4 ( a )所示. 在弹簧上端固定一个质量为m的物体，使弹簧收缩x °,物体处于静止平衡状态，如图1 4 - 4( b )所示. 取该点为坐标原点，坚直向下为x轴正方向，则物体位于B时所受的合力等于零，即m g= k x0 >图 1 4 - 4如果用手再往下压至C点，物体离开平衡位置x 距离，如图1 4 - 4 （ c ）所示，释放后，由于物体所受合力2 F = - k （ X o + x ） + m g= —k x .所以，物体在平衡位置B的上下做简谐振动.总之，物 体 （ 质点）在弹力（ 符合虎克定律 F = —k x ）或准弹力（ 跟弹力性质相似的力）作用下的振动，叫做简谐振动.2 .简谐振动的特点第一，从运动学的角度来看，简谐振动是加速运动，加速度的大小和方向是不断变化的. 做简谐振动的物体所受的合力为ZF = - k x .根据牛顿第二定律可知m a = ­k x .即ka = — —x .m这表明：在简谐振动中，物体加速度的大小总是跟位移成正比，方向跟位移的方向相反（ 总是指向平衡位置）.第二，从功能的角度来看，物体做简谐振动的过程中，只有弹力（ 或准弹力）做功，物体的机械能是守恒的.3 .简谐振动的周期公式虽然教材中没有论证，只是直接给出（ 这是为了减轻学生负担的缘故），但是，作为教师应当心中有数.实际上，利用简谐振动与匀速圆周运动的联系，可以很容易地导出简谐振动的周期公式.设质量为m的物体（ 质点）在半径为A的圆周上运动. 取圆心0点为坐标原点，建立直角坐标系，如图1 4 - 5所示.假定物体从M点开始， 以恒定的角速度3做圆运动， 经过时间t到达N点此时，物体在x轴上的投影点为P. P点离开圆心的位移x等于X=AcOS 3 t.由此可见，做圆运动的物体，它在X轴上的投影点P是在平衡位置0点附近做往复的振动. 已知做匀速圆周运动的物体的向心加速度等于3凡方向是沿半径指向圆心，它在X轴上的投影点P的加速度等于a=— w2Acos 3 t上式表明：P点的加速度大小跟位移成正比，方向跟位移的方向相反，这正说明P点是做简谐振动. 从而可知，做匀速圆周运动的物体在x轴上投影点的运动，是简谐振动.物体沿圆周每转•圈，投影点P在x轴上恰好往复振动一次，因此，简谐振动的周期为2兀T = ——(0把2= - 3 2x与简谐振动的第一个特点a = - Xx相比较，可得m代入上式，得简谐振动的周期公式:T = 2兀可见，简谐振动的周期是由振动系统本身的特性所决定的，因而也叫做该振动系统的固有周期.进一•步与单摆的情况相对比，由而已知a= - 3 *'x,相比较得到所以单摆振动的周期为这就是单摆的周期公式. 它表明，在摆角很小的情况下，单摆的周期与摆长1的平方根成正比，与重力加速度g的平方根成反比，而与摆锤质量和摆动振幅无关.这里应当指出，单摆周期公式的教学，最好用实验来研究单摆的周期跟它的振幅、质量、摆长的关系.实 验1研究单摆的周期跟振幅的关系.把一个长约1m的单摆吊起来，先使它从平衡位置偏开一个不大的角度，然后放开它，任它振动. 用秒表测出它振动若干次，例如2 0次所经历的时间，计算出其周期. 再使它在更小的摆角下重新振动，测出它振动相同次数所经历的时间，同样计算出其周期.结果表明：在振幅小的时候，单摆的振动周期跟振幅没有关系. 摆的这种性质叫做摆的等时性.实验2研究单摆的周期跟质量的关系.取两个质量不同的小球，做成两个摆长相等的单摆. 使两个摆都偏开相同的较小的角度，并同时放开它们. 观察它们振动的周期是否相同.结果表明：单摆的振动周期跟质量没有关系.实验3研究单摆的周期跟摆长的关系.用1m长的单摆，测得它的周期为T .把 摆 长 缩 短 到 即25cm,4测出它的周期. 把摆长增加到2倍，即2 m ,再测出它的周期.结果表明：摆长缩短到［m时，周期减小一半；摆长增加到2倍时，周期增加到1 .4倍. 这就是说，单摆的振动周期跟摆长1的平方根成正比,即TOC4,这时，可以告诉学生，单摆的振动周期不仅跟摆长的平方根成正比，而且还跟重力加速度g的平方根成反比，即Toe荷兰学者惠更斯(1626〜1695)研究了单摆振动现象，得到单摆的振动周期公式为单摆在实际中的应用很多，惠更斯在1657年首先利用摆的等时性发明了带摆的计时器. 由于摆的周期可以通过改变摆长调节，计时很方便，所以应用在时钟里.4 .简谐振动的相相的概念比较抽象，学生接受起来是困难的. 应当先做一些实验，令学生观察，引导学生发现问题. 然后，跟学生一起讨论，如何描述，从而初步建立相的概念.首先，做一个实验，取两个完全相同的单摆. 把一只单摆的摆球向右拉离平衡位置，偏角。

( 0 < 5 ° )；把另一只单摆的摆球向左拉离平衡位置，偏角也为0,如图4 —6 所示. 放开手后，两只单摆都由静止开始做简谐振动. 使学生观察到，它们的振幅、周期完全相同，然而，它们的差别是什么呢？可先让学生思考. 最后，告诉学生，它们的差别是开始起动时的位置及运动的趋向是不同的，在振动过程中，它们的步调是相反的.表示振动物体在某时刻的位置和运动趋向的物理量叫做相.比较上述两个单摆的振动情况可以看出，两者的振幅和周期相同，但步调恰恰相反，若让两个摆同时开始振动，当一个单摆到达正的最大位移处时，另一个单摆恰好到达负的最大位移处. 我们说振动步调相反的两个振动为反相. 反之，若这两个单摆都从同一偏离位置开始振动，同时达到正、负最大值，则我们称之为同相. 在中学阶段，我们主要讲授同相和反相的振动. 对于初相为任意值的振动不作介绍.5 .简谐振动的图像和视图为了给学生以深刻的印象，简谐振动的图像可以通过演示实验直接从振动物体得到. 按图1 4 — 7 装置，利用一个吊在支架上的漏斗，近似地看作单摆；支架下面放一块硬纸板，板上画一条直线O t 作为时间轴. 先令漏斗静止，使漏斗下方对准0点，然后使漏斗装满细沙，并在垂直于仇 的方向摆动，同时沿着O t 的方向匀速拉动硬纸板，于是在纸板上就会得到细沙描绘的振动图像，根据得到的近似余弦曲线， 可知单摆的位移是时间的余弦函数， 如图1 4 —8 所示. 曲线的最大值为振幅，相邻两个正的或负的最大值之间的时间间隔是振动的周期.图 14一7图必-8为了熟悉振动图像，可给学生绘出一系列的简谐振动图线，让学生分析所属振动的有关物理量；或者是给出振动的有关物理量，让学生根据振动特点，绘出振动图像.需要指出的是， 一定要让学生明确，简谐振动的图线并不是做简谐振动的质点的轨迹，而是表示振动过程中物体的位移与时间的关系，由于坐标的原点选在质点的平衡位置，所以质点实际上是在平衡位置附近沿直线往复运动.6 . 关于波的描述由于机械波是振动在介质中的传播，所以，描写一个波，应当描写波源的振动情况，及其在介质中的传播情况.波源的振动情况，用频率 f 来描写. 振动在介质中传播的情况，用 波速V和波长人来描写. 也就是说，频率、波速和波长是描写波的三个物理量，它们之间的关系为V = X f .频率决定于波源的振动； 波速决定于介质本身的性质（ 介质的密度和弹性） ,与振动频率无关；波长则由频率和波速来确定. 换句话说，同一频率的振动，在不同介质中传播时，波速和波长是不同的.波的描述，还可以用图像直观地表示出来. 当波源的振动在介质中传播开去之后，在某一时刻，介质中各个质点离开自己的平衡位置的情况，一般是不同的. 无论是横波，还是纵波，我们都用水平的横坐标表示传播方向上介质各质点的平衡位置，纵坐标表示某一时刻各质点的位移矢量. 把各质点的位移矢量的末端联接起来，呈现出有凸起、凹陷的波形，叫做波的图像，如图1 4 - 9所示. 它表示某一时刻介质各质点离开平衡位置的情况.7 .关于波的特性——衍射、干涉这个内容的教学，必须通过实验，令学生观察，总结出规律. 最后，应使学生明确：①波能够绕过障碍物前进，这种现象叫做波的衍射. 能够发生明显衍射的条件是：障碍物或孔的尺寸比波长小，或跟波长相差不多.②儿列波可以同时在同一介质中传播，而相互毫不干扰；在它们重叠的区域里，相互叠加，只有当振动方向相同、频率相同、相差恒定的两列波叠加时,才能出现有些地方振动加强，有些地方振动减弱，它们相互间隔，稳定地分布着，这种现象叫做波的干涉. 产生干涉的条件是：两个波源的振动方向相同、频率相同、相差恒定，即相干波源.③衍射和干涉现象，是波的两个特性. 凡能够产生衍射和干涉现象的，它就具有波的性质，可按照波的规律分析它、研究它.8 .关于音调、响度、音品音调就是声音的高低. 通过实验作出高音和低音两音叉的振动图线，加深学生对音调跟振动频率关系的理解. 人们对音调的感觉客观上决定于声源的振动频率：频率越大，音调越高.爱好音乐的人都知道，对于音调的感觉的基本特点是，当频率按同样比例改变时，例如，频率加倍时，无论是由50 Hz 改变为1 0 0 Hz , 还是由50 0 Hz 改变为 1 0 0 0 Hz , 我们所感觉到的音调的改变都是相同的. 在音乐里，二音的频率之比叫做音程. 频率之比等于2 的音程叫做一个倍频程.一个倍频程通常包含8 个音，音乐上叫做八度. 这样把音排列成组，叫做音阶，如表1 4一1 所示.表 1 4—1dou raimifaSOUlat idou以第1 个音的频率为 119/ 85/ 44/ 33/ 2 5/ 31 5/ 82C 调( Hz )2 562 8832 0341 -338442 6-3480 51 2D 调( Hz )2 8832 4360 384432 480 540 57 6响度是我们主观感觉到的声音的强弱. 声源振动的振幅越大，发出的声音听起来响度越大. 人们对响度的感觉，在客观上决定于声波传递能量的多少，更确切地说，决定于声强（ 单位时间内通过垂直声波传播方向的单位面积的能量，单位是W / nf）.声强的变化范围很大，因此常采用对数标度. 通常规定声强1 =1 0 %/ nr' 作为比较声强的标准，而引入声强级作为声强的量度. 式中声强级的单位叫做贝尔，实用上贝尔的单位太大，通常譬贝尔的十分之一作为声强级的单位，叫做分贝尔，简称为分贝用符号dB 表示.用声强级表示声强，不仅为了量度上的方便，而且人耳感觉到的响度正是近似地与声强级成正比的.各种声源发出的声音的声强级和响度，大致如表1 4- 2 所示.表 1 4- 2声 源声强级（ dB ）响度树叶微动细语1 0 - 2 0极轻交 谈 （ 轻）2 0 〜40轻交 谈 （ 一般）收音机（ 轻）40 〜60正常收音机（ 平均）工 厂 （ 平均）60 〜80响高音喇叭警笛80 ~ 1 0 0极响雷和炮卸钉锤1 0 0 ~ 1 2 0震耳音品是声音的品质. 可结合学生们的生活经验讲授. 首先从儿种乐器合奏一个歌曲，它们的音调和响度虽然都分别相同，仍可分辨出来每个乐器的声音,引出音品的概念. 明确告诉学生，音叉的振动是简谐振动，它所发出来的声音,无论振动频率和振幅怎样，都叫做纯音. 而乐器发出来的声音，以及人所发出来的声音，不是纯音，而是复音. 如果把它们变成电讯号，输入到示波器中，学生可以在示波器的萤光屏上观察到它们的振动图线. 复音的振动曲线不是简谐振动曲线，它的形状随泛音的多少和振幅的大小来决定. 从教材中介绍的1 0 0 H z 的钢琴声和黑管声的声谱，可以看出：它们的基音频率和振幅都相等，只是泛音的多少和泛音的频率及振幅彼此不同，听起来它们的声音完全不同. 这就说明了音品是由泛音的多少、泛音的频率和振幅决定的.最后，可以结合对不同乐器的声音的感觉，说明泛音越多越好听，泛音越少，听起来越单调. 高泛音多，使人听起来有活泼的感觉，低泛音多，就有深沉的感觉.第 十 五 章 “ 热学”教学研究热学是研究大量分子的集体所表现出来的现象和规律. 学习热学可以使我们对物质结构、物质特性和物质的运动有更深一步的认识. 同时，热学与国民经济的关系也极为密切，日常生活、工农业生产的很多方面都与热现象有关，从古老的蒸汽机到近代的火箭、喷气机都属于热学的研究和应用范畴.但是，由于热学涉及了物质深一层的结构，微观粒子的运动相当复杂，深入、细致地研究需要有更高的数学基础. 所以， 在中学阶段只作一般性介绍. 目前教材的热学内容，在初中以感性知识、定性分析为主，辅以简单的定量计算,高中阶段再适当地提高，并增加了液体和固体的性质，以及理想气体状态方程和热力学第一定律等内容.从教学特点上看，这部分内容难度较大，抽象性强，许多概念容易混淆. 让我们从“ 热”字谈起，来讨论热学的教学问题.§ 1 从 “ 热”字看热学的几个基本概念在日常生活中， “ 热 ”是一个具有多种含义的字，即使在物理学中的不同场合下，它也有不同的含义.例如，在下面几句话中都包含一个“ 热 ”字：“ 电烙铁通电以后，很快就热起来了. ”“ 热机的应用是很广泛的. ”“ 热和功具有等当性. "“ 热，与日常生活、工农业生产有密切关系. ”以上几句话中的“ 热”字各表示什么意思呢？第一句话 里 的 “ 热”字表示冷热程度，即表示温度升高的意思；第二句话里 的 “ 热”字，不是冷热程度的意思，热机不是冷热程度的机器，而是利用燃料的内能转换为机械能的机器，因此，这 里 的 “ 热 ”字实际上表示内能的意思；第三句话 里 的 “ 热”字表示热量，即热量和功具有等当性；第四句话里的“ 热 ”字表示物质运动的一种形式，是大量分子不停息地运动所表现出来的热现象.温度、内能、热量、热现象，都是与大量分子运动有关的，虽然有一定的联系，但它们的含义是不相同的，绝不能把它们混淆起来.1温度温度是物体的冷热程度，其本质是物体内部分子运动的剧烈程度. 温度越高，分子运动得越剧烈，分子运动速度就越大，从而它们的平均动能也越大. 可见，用来表示冷热程度的温度，实质上是反映了物体内分子运动的激烈程度. 由于温度的高低最直接反映物体内分子热运动的情况，所以把温度当作描写物体热运动状态的一个最基本的参量. 整个热学都跟温度这个物理量有关.2 .内能内能是物体内所有分子具有的动能、势能的总和. 而分子的动能与温度有关，分子势能与分子间的距离有关，即与物体的体积有关，所以，物体内能的大小跟温度和体积都有关系. 当然，物体的内能还与所含分子的数目有关，在温度和体积一定的条件下，分子数越多，内能越大.3 .热量热量则是物体内能变化的一种量度.由于学生对这些热学基本概念往往搞不清楚，似是而非，因此在教学过程中可以围绕这些概念提出一系列思考问题. 例如，一个物体温度高，内能是否一定大呢？有的学生可能会认为存在这种关系. 但实际上并不一定. 物体的温度只反映冷热程度，而内能的大小还决定于物体所含分子数的多少和所占有的体积. 对于一个确定的物体，一般说来，温度升高时，一方面分子动能在增加,另一方面由于温度升高体积膨胀，从而分子间距离增大，分子势能增加，因此,温度升高时，物体内能也随着增加. 如果两个物体温度相同，则分子数多的物体具有的内能大. 某一物体虽然温度较低，但由于分子数多，内能也可以比较大；而某一物体虽然温度较高但由于分子数少，内能也不见得大，一根点燃又熄灭的火柴，杆上发红颜色的地方温度高达500℃以上，但内能并不大. 因此，对不同的物体，不能简单地用温度的高低来判断内能的大小. 乂例如，物体内能大，传递的热量是否一定多呢？这也要具体分析，热量所反映的不是物体内能的绝对大小，而是物体内能的改变，在单纯热传递过程中，内能改变得多，传递的热量就多.4 . 热现象至于热现象，是指凡与温度有关的物体一系列性质的变化，统称为热现象 . 如 ，物体的热胀冷缩，物体的热传递，物体状态的变化，物体的热电效应,电磁学性质的改变以及热机中工作物质在工作过程中所表现的现象，等等.现行物理教材，在初中从温度、热量、热平衡讲起，然后讨论物态变化，进而讲授分子动理论，给出能量转化和守恒定律，并应用上述热学知识，介绍了热机的工作原理和工作效率. 在高中着重讲理想气体的状态方程，同时介绍热力学第一定律的基本知识. 今后，如有条件，还应增加液体和固体性质、湿度、露点、温度计等知识.§ 2 教法研究1 . 要加强实验实验能唤起学生已有的感性知识，观察、分析实验现象和实验结果，从而建立概念，得出结论.例如，关于温度的概念和温度的测量，我们可以从最简单的实验入手. 取一盆冷水在下面加热，让学生在加热的不同阶段把手伸入水中，于是学生从感觉上认识到水从冷到微温、温和、热以至最后烫手. 那么，凭感觉可以准确地判断温度的高低吗？我们取一盆20C〜30℃的水，让一个学生第一次先把手在冰块上摸一会儿，放入水中，他会觉得摄氏二十多度的水是热的；第二次让这个学生先把手放入60C〜70C的水中呆一会儿再放入试验水中，他又会觉得二十多度的水是凉的，这是由于相对温差在感觉上造成的错觉. 再如，冬天的早晨，我们到操场锻炼身体，用手摸金属制的单杠觉得比摸木质的双杠凉得多，而事实上，单、双杠在大气中经过一夜的热平衡，温度应当是相同的，由于两者导热系数不同，造成人对同一温度感觉上的错觉. 于是我们引导学生，要想准确地测量温度， 必须借助物体由于冷热变化而引起的某种性质变化来度量. 例如，利用物质的热胀冷缩性质，制成温度计. 为了说明如何用温度计测量温度,我们可以提出问题：冬天把■•个室温计从锅炉房拿到一间没有升火的房子里，是否立刻就能测出房间的气温呢？发烧的病人在量体温时，为什么要在腋下夹几分钟呢？这是因为两个温度不同的物体接触时( 室内空气和气温计，病体和体温计) 需要有一个热传递过程，直到两者温度相同时热传递过程才停止，于是引入了热平衡概念：当温度不同的两个物体接触时，热量要从温度高的物体传递到温度低的物体上；当经过热传递两个物体温度相同时，我们称之为达到了热平衡.关于分子动理论的教学，同样由于内容的抽象性， 不宜从理论内容入手. 可以采取讲小故事的方法. 如古希腊著名的哲学家德谟克利特非常善于观察，他每看到一个现象，都要琢磨原因，例如他看到鱼在水中游动，就考虑，水为什么那么不坚实，以致可以任鱼游来游去？又如他考虑，为什么冰容易被打碎，难道冰块也不坚实吗？为什么人可以在距离鲜花很远的地方闻到香味？为什么湿衣服晾在室外水容易跑掉？等等. 最后，他总结出i条道理：物质都是由最小的粒子组成的，这些粒子在不停地运动. 这些古代唯物主义哲学思想由于教会、 封建势力的干扰和破坏， 曾一度停滞下来， 直到1 7 、 1 8 世纪才又活跃起来.经过许多科学工作者的努力，终于从大量的实验现象中归纳出分子动理论三要素:①一切物体都是由分子组成的；②分子是不连续的，之间具有一定的间隙，并具有斥力和引力；③分子处在不停的运动中.进而按这个基本内容展开，定性地讲述分子及其大小，分子的运动和分子间的作用力，以至物体的分子结构.2 . 关于热量热量是一个容易被误解而混同于温度的概念.学生往往会认为，某物体摸着很热，它的热量就大.为了避免这种混淆，最好从热传递讲起.两个温度不同的物体互相接触后，会发生热传递现象，热传递的本质是能量的传递，温度高的物体把能量传递给温度低的物体，直到两者的温度相等时，就是热平衡状态.而热量则是在热传递中能量改变的一种量度，物体的能量增加体现为吸热,物体能量减小体现为放热.为了定量地描写物体内能的改变，必须计算热量.我们可以通过课本上给水和煤油加热的实验，使学生认识到，物体能量的改变即物体放热、吸热的多少决定于物体的性质、物体的质量和温度改变的大小，因此，在计算热量时，首先必须区别不同的物质，为了找到一个计算的标准，于是引入比热的概念：1 k g 物质，温度改变( 升高或降低) 1 ℃需要吸收或放出的热量叫比热( J /k g - ℃ ) . 显然，比热是只与物质本身性质有关的物理量，不同的物质比热不同.当我们计算m ( k g ) 某物质，温度改变At度所吸收或放出的热量( Q ) 为Q = c , m • A t ( J ) .式中c 为该物质的比热.两个温度不同的物体经过热传递后达到热平衡时的能量改变表示在热平衡方程式中，即Q «=Q 妆 .为了巩固关于热量的计算，可以配合一些最基本的练习题.例1质 量 为1 0 g的铁块从火炉里取出，投 入1 0 0 g水中，使水温从2 0 C升高 到3 0 ℃ ,并达到热平衡，求火炉的温度.首先必须让学生明确，题中除最后铁块和水达到热平衡以外，还隐含着一个热平衡状态，即最初铁块和火炉是处于热平衡的，因此，求火炉的温度实际上就是求铁块从火炉中取出而未投入水之前的初温.应用公式Q=c • m • A t .对于铁，是计算它放出的热量，设 其 初 温 ( 即 火 炉 温 度 ) 为t。

，则有Q« =0 . 1 1 X0 . 0 1 X ( t o - 30 ) .对于水，是计算其吸收的热量，Q« =1 XO. IX ( 30 - 2 0 ) .然后，应用热平衡方程式Q放=吸，可求得火炉的温度t 0 .例2质 量 为1 0 0 g ,温 度 为1 0 0 ℃的某金属投入到质量为2 0 g、温度为2 0 ℃的水中，达到热平衡时，水温为3 1 C ,问这是什么金属.我们知道，每种金属的比热都是一定的，只要求出题目中投入金属的比热,就可以在比热表中查到相应的金属.应用 Q=c , m • A t 和 Q « =Q « .水吸热：Q« =1 XO. 0 2 X ( 31 - 2 0 ) ,金属放热：Q« =c X0 . IX ( 1 0 0 - 31 ) ,所以有：1 X0 . 0 2 X ( 31 - 2 0 ) =c X0 . IX ( 1 0 0 - 31 ) .求得 c =0 . 0 31 ( J / k g • ℃ ) ,从比热表中查得该金属为铅.( 3)关于物态变化由于现行教材把这部分内容安排在初中讲授，给教学工作带来了一定的不便，致使有些概念不能讲清，甚至给学生造成一定的误解和混淆，因此，教师在教材分析时必须保证科学性，在讲课时才能讲述恰当，留有余地.事实上，物态变化有两大类：第一类物相变化和第二类物相变化，两者具有不同的特点.第一类相变是指固态、液态、气态之间的转变. 固态和液态之间的互变称为熔化和凝固；液态和气态之间的互变称为汽化和凝结（ 注意讲清汽化中的蒸发和沸腾两种情况）；固态和气态之间的互变称为升华和凝华. 这类相变的特点是：（ 1）在物态转变的过程中，温度是固定的.固、液态互变时的固定温度称为熔点（ 或凝固点），液、气态互变时的固定温度叫沸点. 在不同的外界压强下，熔点和沸点不同. 例如，水在大气压下的熔点为0 ℃ ,沸点为1 0 0 C ,当压强增大时，熔点降低，沸点升高，当压强减小时，熔点升高，沸点降低. 为了说明这一点，可以给学生举一些日常生活中遇到过、 但不能解释的现象，例如，冰在气压为10'Pa、-1 ℃的室温中是不能熔化的，但若在冰上跨过一根细铁丝，两边挂上重物，则由于铁丝与冰接触线上压强大了，所以冰可以熔化，铁丝陷进冰里去了. 又如，在高山上，由于压强降低，沸点降低，所以煮水、烧饭必须用高压锅，否则，不到100C时水便沸腾T .（ 2）第一类相变的第二个特点.即在物态转换过程中伴有热量的吸收或释放，熔化和凝固过程中称为熔化热 （ 或凝固热），汽化和凝结过程中称为汽化热，升华和凝华过程中称为升华热. 在不同的压强下，熔化热，汽化热和升华热不同. 气压在10'Pa时，水的熔化热为0. 3 3 6J / k g ,汽化热为2. 263 J / k g ,升华热为前两者之和，即2. 596J/k g .（ 3 ）第一类相变中伴有体积的突变.这一点课本上虽然没有讲，但学生是可以接受的，从固态变为液态时，体积膨胀3 %〜 10% ,从液态变为气态时，体积膨胀400〜 1000倍.图 L5-1V,第二类相变是指气体到液体的状态变化，我们称之为液化. 教师要特别注意：这里的气体并不是指任何物质的气态；这里的液化也并不是前面所讲的气态到液态的凝结过程. 实验表明，这种第二类相变不具有第一类相变的特征，在相变过程中没有体积的变化，也没有吸、放 热 现 象 . 图 15—1所描述的是气体的等温线，这 个 P—V 图上所表示的是， I 区为气态区， II区为液态区，III区为未饱和气区，w 区为液体与饱和气共存区，MKN为临界等温线. 当由气态区m变到液态区n 时，属于第一类相变，伴有体积突变，而从气态区I 变到液态区II时，属于第二类相变，没有体积突变.在初中讲授物态变化，必须要进行有关实验. 例如，通常所作的蔡的熔化实验，起始温度可选择在50℃〜60℃, 然后逐步给蔡的粉末加热，记录相应的温度和时间读数，在坐标上画出曲线，如 图 15 — 2 所示. 曲线表明，在秦的熔化过程中，温度不变，可以让学生来回答“ 这段时间里热源提供的能量哪里去了”的问题，从而巩固熔化热的概念. 又如，讲授沸腾时也要做实验，让学生观察，用热源给烧杯里的水加热，在未达到沸腾时，从底部出现的气泡边上升、边缩小，最后消失在水中，而水沸腾时，气泡从底部出现，边上升边变大，到表面破裂. 通过实验，一方面使学生认识到，不仅在液体表面，而且在液体内部同时汽化的状态才叫沸腾，只在表面的汽化叫蒸发；另一方面，在实验的基础上，可以根据学生的接受能力，从理论上说明所看到的沸腾现象.实验表明，在加热前，器壁上和水中杂质表面都附有大量气体分子，这是气泡产生的根源. 沸腾前，由于加热，形成了气泡，起初，气泡中都是气体分子，没有液体分子，所以周围的液体分子要向泡内蒸发. 由于温度低，尚未达到沸点，气泡中饱和汽压小于外界压强，气泡被压小，同时，受到水的浮力而上升. 在上升过程中，体积缩小，泡内的水汽变成过饱和状态，液体分子只好重新凝结出来，于是气泡压强更小，再被压缩，再上升，直到消失. 而沸腾时,温度高，最初形成气泡后，周围液体向泡内蒸发，成为饱和汽，且饱和气压强大，能与外界压强平衡，气泡由于浮力上升，于是外界压强变小，气泡内压强变大，体积膨胀，泡内水汽变成未饱和汽，致使周围液体再向泡内蒸发，直到液面破裂.总之，要通过各种实验分析，使学生认识物质处于何种状态的宏观因素取决于压强和温度. 例如，压 强 在 lO'Pa的 汗 0 ,在 时 是 什 么 状 态 ，由于处于熔点温度，可以有三种情况：可能全是液态的水，可能全是固态的冰，也可能是冰水混合物. 如果压强和温度没有变化，且外界不提供热量，它可以维持在任何一种情况下. 同样，压强在l O P a 下的汗0 , 在 1 0 0 ℃时可能是液态的水，可能是气态的蒸汽，也可能是汽、水并存.在应用热平衡方程解决状态变化的问题时，一定要注意物理过程，不要漏掉任何一个吸、放热过程. 例如， m g 、- 1 0 ℃的冰变成的1 2 0 c 的过热蒸汽需要多少热量？这个问题实际上包括了下述五个过程： 一1 0 ℃的冰变为0 ℃的冰； 0 ℃的冰变成0 ℃的水； 0 C 的水变成1 0 0 ℃的水； 1 0 0 C 的水变成1 0 0 C 的蒸汽； 1 0 0 C的蒸汽变成1 2 0 C 的过热蒸汽. 求其五个阶段所吸收热量的总和， 就是所需要的热量.对于物理过程或热状态不清的问题，允许先假定某种情况求解，求得的结果若符合实际，假定就是对的，若求得的结果不符合实际，假定就是错的，需考虑其他情况重新求解. 例如，把 2 0 0 g 、- 2 0 ℃的冰与1 0 0 g 、1 0 ℃的水混合，末温度是几度？学生很容易按照下列过程求解：设末温度为t ℃ , 已知c * = 2 . 1 X 1 0 」/k g • ℃, X = 3 3 6 X1 03J / k g , 根据热平衡方程Q 祈Q ” 则有m * • c * • A t ' " + m » • 入 +m» • c * * At, z *= m * * c * • A t代入数值解得t = - 5 7 C .这个结果显然是错误的！冰原是一2 0 ℃ , 末温却是一5 7 ℃ , 怎么行？进而引导学生进行分析.按照题目所给，- 2 0 ℃的冰和1 0 ℃的水混合，末状态可能有以下情况：末温度在0 ℃以下， 容器中全部是0 ℃以下的冰， 末温度恰好为0 ℃, 容器中是0 ℃的冰；末温度恰好为0 ℃ , 容器中冰水共存；末温度恰好为0 ℃ , 容器中是0 ℃的水；末温度在0 ℃以上，容器中是0 ℃以上的水. 具体的计算表明：冰从一2 0 ℃到0 ℃吸热，0 ^= 0 . 2 X 2 . 1 X 1 O3X 2 O = 8 4 O O J .水从1 0 ℃降到0 C 放热，Q 禄= 0 . 1 X 4 . 2 X 1 0 ：' X I 0 = 4 2 0 0 J .可见，水降到0 C 所放出的热量根本不足以使冰从一2 0 C 升到0C.为了使- 2 0 ℃的冰全部变成0 ℃ , 水还得再放热4 2 0 0 J , 因此，得 有 一 部 分 的 水 结冰，多少克水结冰能再放4 2 0 0 J 热量呢？根据凝固热求得：4 2 0 0 J - ^3. 36 X 1 0 7/ k g = O . 0 1 2 5 k g . 由此可以分析出末状态是处于0 ℃的冰水混合物，原来的水有一部分要结成冰. 重新求解：设末温度为0 ℃，且有x k g 水结冰，根据热平衡方程有:m » • c » • A t 状=m 卡, c * A t * + x X .所以，x = 1 . 2 5 X 1 0 -2k g .即末温度为0 ℃ ,且 有1 . 2 5 X 1 0 - k g水结成了冰.4 .关于理想气体的状态方程首先应使学生明确，所谓理想气体，是指能严格遵守儿个气体定律的气体,这在实际上是不存在的. 但是，在温度不太低、压强不太高的情况下，一般气体可以近似视为理想气体，这是理想气体的宏观模型. 从微观角度来看，分子没有大小，分子间没有作用力，把分子看作为弹性质点的气体，叫作理想气体,这是理想气体的微观模型. 一般的真实气体，在温度比较高（ 一般高于室温），压强不太大（ 一般小于儿十个l O , P a ）的情况下，气体的体积比较大，这时，分子本身的大小是可以忽略不计的，从而可以视为理想气体，于是理想气体的两种模型便可以统一起来，研究理想气体也才具有一定的现实意义.然后，说明描写气体平衡状态的主要参量；压 强（ p ）是从力学角度来描述气体的平衡状态；体 积（ V ）是气体分子所活动的空间，是从儿何学的角度来描写气体的平衡状态；温 度（ T ）是表示分子运动激烈程度的，即是本学角度来描写气体的平衡状态；而四是以摩极表.示的物质之量. 各个状态参量从不同的角度来描写理想气体的平衡状态，它们之间必然有一定的联系，这个联系方程式，叫做理想气体状态方程，即pV = — RT.上式包括了以下一些内容：①当空一定时，则得吧= 恒量.T从而可以得知，一定质量的理想气体（ 即空•一定，）由某一平r,衡态过渡到另一平衡态时，两个平衡态的参量关系为:PM = P a %丁 丁・② 当 空 和T一定时，有p V = C,叫等温过程，这就是玻意耳-马略特定律；③ 当 空 和P一定时，有 丫 = 。

，叫等压过程，这就是盖♦吕萨克| 1 T定律；④ 当 空 和V一定时，有 史=C,叫等容过程，这就是查理定律.| 1 T为了利用理想气体状态方程解决有关物理问题，应教给学生解题思路和方法：首先，仍然是根据问题的要求和计算方便，确定研究对象；然后，描写研究对象所处的平衡状态；最后，根据过程的特点，选用规律，列出方程，求解.例如，用 图1 5 — 3所示的托里拆利管作为一个气压计.由于不慎，使管内水银面上方充有部分空气，所以是一个不准的气压计. 在地面的温度是2 7c时，用这个气压计量得气压是要X l 0 5 p a ,76而实际气压为g x i O S p a ；到山上以后温度为1 7 C ,这个气压计i髅 为76笑X l 0 5 p a .问山上的实际气压是多大？首先，选择被封闭在管内水银面上方的空气为研究对象，并视为理想气体.第二步，进行状态描写.在地面，研究对象的状态为I :V^O.Ol (80-74) S ,式 中S为管横截面.T,=273+27=300 (K)Pi = (― — ) X 105Pa = —(X 105Pa)[76 76) 76在高山上，研究对象的状态为II：V2=0. 01 (80-69) SL=273 + 17=290 (K)P 2 = P - ?(X105P a ),式中p即为山上实际气压.76第三步，根据过程的特点，选用规律，列出方程. 由题可知被封闭的气体在山上和山下质量一定，于 是 用 毕 =毕 ，式中只有P为未Ti T2知量，可以方便地求得结果( 计算结果从略).再如， 柴油机内充有空气， 压缩前其中空气的温度是330K,压 强 是10Ta.活塞急剧上升将空气的体积压缩到原来的十五分之一，压强增大到42Xl(TPa.求这时空气的温度.取汽缸内的空气为研究对象，视为理想气体.压缩前，气体的状态是：压 强p,=lX10'Pa,体 积V ,,温 度T,=330K；压缩后，气体的状态是：压强P2 =42X10$Pa,体 积 刈 =2％,温度丁2・由于气体在压缩前和压缩后的质量不变，所以，根据得PM = P?%丁 丁T - P a " 2 T l将已知量代入上式，得4 2 X J - V . X 3 3 0T - 1 5 12 IX V j= 9 2 4 ( K).换成摄氏温度为= 6 5 1 ℃ .t2= ( 9 2 4 - 2 73 ) ℃这个温度已超过了柴油的燃点. 此时如果把柴油喷入汽缸，柴油立即燃烧.如果学生基础较好，还可以做如下的练习:容积分别为％和 ％的两个玻璃泡，用一根体积可以忽略不计的不导热的细管连通，如 图15—4所示，其中充满空气，其压强为p ,温度为T .今将大玻璃泡浸在沸腾的水中，温度为T . ;将小玻璃泡浸于冰水溶液中，温度为T状. 试求此时容器内空气的压强p '为多大？图 15—4首先应当明确，开始时容器内的空气是处于平衡状态，而将大玻璃泡浸于沸水中，小玻璃泡浸于冰水溶液中之后，由于两个玻璃泡内的温度不等，所以整体并非为平衡状态. 只能认为大玻璃泡内的空气和小玻璃泡内的空气，分别处于不同的平衡状态. 其次，原来处于大玻璃泡内的空气，在浸于沸水中后，其质量将要减小，而原来处于小玻璃泡内的空气，在浸入冰水溶液中后，其质量将要增加. 基于以上分析，如何来解答这个问题呢？第一种解法：直接根据pV=^RT来列方程求解.①取原来大玻璃泡中的空气为研究对象，视为理想气体. 其质量为M , 压强为 P ，体积为4 ,温度为T .根据理想气体状态方程得p% =牛 R T . （ 1）②取原来小玻璃泡中的空气为研究对象，视为理想气体. 其质量为m , 压强为 P ，体积为V ” 温度为T .根据理想气体状态方程得p V2= ^ - R T . （ 2 ）③取浸于沸水中之后大玻璃泡内的空气为研究对象，视为理想气体. 其质量为M —△! ! ! , 压强为P',体积为％, 温度为T *根据理想气体状态方程得PV1 =M-ArnR T谕④取浸于冰水溶液中之后的小玻璃泡内的空气为研究对象，视为理想气体. 其质量为m + A m , 压强为p ' ,体 积 为 温 度 为 T 坎 .根据理想气体状态方程得.T T m + Z X m f Ep % = - n -RT«-（ 4）由于共有四个未知量：M 、m 、A m > p',所以，由 （ 1）、 （ 2 ）、 （ 3 ）、（ 4）式可解得p ' .第二^ 解法：根据毕= 毕列方程求解. 利用这种解法，应保证研究对象的状态变化时，其质量不变. 为此，必须巧妙地选取研究对象.①取图15 — 5 中划斜线部分的空气为研究对象，视为理想气体. 开始时其体积为％ —av,使之当它浸于沸水中时，该气体的体积恰好膨胀到％. 这样，浸于沸水中之前、后，研究对象的质量是一定的.图 15— 5浸于沸水中之前的状态是：压 强为P ，体积为% — Z \ V ,温度为T .浸于沸水中之后的状态是：压强为p',体积为V ”温 度T . .根据理想气体状态方程得p _p， % 0)T i .② 取 图15 - 5容器中未划斜线部分的空气为研究对象，视为理想气体. 开始时其体积为V . + A V ,使之当大玻璃泡和小玻璃泡分别浸于沸水和冰水溶液中后， 其体积恰好收缩到心可见， 该研究对象在状态变化过程中， 质量是不变的.开始时的平衡状态是：压强为P ，体积为V z + A V ,温度为T .后来的平衡状态是：压强为P'，体积为V ”温度为T仆根据理想气体状态方程得p ( V2+AV)_pJ V2 ⑵T 4 .由于共有二个未知量：4 V和p ，,所以，由( 1)和( 2 )式可解得p ' .从以上两种解法可见，如果问题只求后来的压强p ' ,用第二种方法比较简捷. 如果问题求△ ! ! ! , M , m,当然应该用第一种方法；如果求^V,应该用第二种方法.5 .关于热力学第一定律物质有许多不同的运动形式，每种运动形式都有- - 种对应的能量. 跟机械运动对应的是机械能，跟热运动对应的是内能.一个物体，如果既不对外做功，外界也不对它做功，而且它跟外界又不发生热传递，那么，这个物体的内能将保持不变，或者说，它的内能的增量△£ = ( ) .一个物体，在跟外界不发生热传递的情况下，外界对它做功，它的内能增加；它对外界做功，它的内能减少. 这时，功W是内能变化的量度. 可以规定:外界对物体做功，W 取正值；物体对外界做功，W 取负值. 功和内能增量的关系为W = A E .△E 是正值时，表示内能增加，根据上式可知 ，这时W也是正值，即外界对物体做了功. 是负值时，表示内能减少，这时W也是负值，即物体对外界做了功.一个物体，在跟外界没有做功过程的情况下，物体从外界吸收热量，它的内能增加； 物体放热给外界， 它的内能减少. 这时， 热量Q是内能变化的量度. 可以规定：物体从外界吸热，Q 取正值；物体放热给外界，Q 取负值. 热量和内能增量的关系为Q = A E .在一•般情况下，物体跟外界同时发生做功和热传递过程，这时，内能的增量跟功和热量之间的关系为W + Q = A E .上式表明：物体的内能不能无缘无故地增加或减少，必须通过做功或热传递的作用. 这一内容的实质，是包括热现象在内的能量的转化和守恒定律，简称为能量守恒定律，在热力学中叫做热力学第一定律.在热力学第一定律建立之前，有许多人曾企图设计一种机器，这种机械一经开动，就可以不消耗能量而不断地对外界做功，或只消耗少量的能量而对外界做更多的功. 这种机器叫做第一类永动机.图 1 5 — 6 所示的，是许多永动机设计方案中的一个. 在水塔的上端和下端分别安装一个轮子，轮子上套有绳索. 绳索上每隔一定距离固定着许多密闭的空筒. 在每一时刻，总有一部分空筒浸在水中，另一部分空筒在空气中. 设计者认为：浸在水中的空筒在浮力作用下上升，迫使轮子旋转. 旋转的轮子可以对外界做功，例如，带动发动机的转子转动等等.图 15-6实际上，这方案上是不可能实现的. 要知道，假如不考虑摩擦等阻力，整个装置转动起来了，则一个空筒从水中浮上来时浮力对空筒做的功，正好等于另一个空筒进入水中时反抗浮力做的功. 所以，只要有一点点阻力，它将停止转动.历史上，许多人制造第一类永动机的企图都失败了. 正是在这些事实的基础上，并经过大量的有关各种能量相互转化关系的实验研究，人们逐渐认识了能量守恒定律，懂得了不能获得比消耗的能量还多的功. 工程技术的任务，不是凭空创造能量，而是设法减少机器设备中的不必要的能量损失. 那种想一劳永逸，靠发明永动机来做功和创造财富的企图，只是一种幻想，是永远不能实现的.正是由于这个原因，热力学第一定律可以表述为：制造第一类永动机是不可能的.第十六章 “ 电场”教学研究电磁学部分主要涉及两方面的知识： “ 场”和 “ 路” .关于场，主要讲了静电场，静磁场，变化电场，变化磁场以及它们之间的关系；关于路，主要讲了直流电路和交流电路. 教材的安排基本上是场路并存，以场为主.电场一章的系统轮廓是：从两个点电荷相互作用的库仑定律讲起. 然后提出问题，两个点电荷之间是怎样相互作用的呢？于是引入电场的概念，静止电荷周围的电场叫静电场. 接着分析了场的两个特性：一是任何一个带电体放到电场中都要受到力的作用，叫电场力，描述电场力的物理量是电场强度，只要知道空间某一点电场强度，就可以求得在该点的带电体所受的电场力；电场力可以做功，说明电场具有能量，这是电场的第二特性，从电场力做功与路径无关引入电势能的概念，并进而引入电势的概念来描写电场的能量性质. 进一步讲授匀强电场中电场强度和电势的关系. 作为电场的应用，研究了带电粒子在电场中的运动情况，以及在电场中的导体或电介质及其正、负电荷的重新分布,于是引出静电感应和极化现象；最后介绍导体组的性质，两个平行金属板组成的电容器，为了描写其性质引入电容这个物理量，并讲了电容的串、并联.全章的重要物理概念是电场强度、电势和电容；重要的物理规律是库仑定律和电荷守恒定律.在这一章里，我们主要讨论“ 电场及其描述”和电容两个问题.§ 1电场及其描述电场是物质存在的一种形态，是不同于常见的实体的一种物质，它比较抽象. 可以从分析两个点电荷之间是怎样相互作用的，来引出课题.首先，让学生通过日常生活的经验，认识两个物体之间相互作用的形式，一种是直接接触，另一种是通过媒介物的间接接触. 例如，以前，公共汽车的车门直接用手来打开，手施一个力作用给门，这是人与门直接接触的；而目前,大多数公共汽车，则由司机控制开门，通过按气钮，借助压缩空气的压力把门打开，这是在人和门之间通过压缩空气这个媒介物来相互作用的.进而，引导学生思考，两个点电荷之间有相互作用力，这是事实. 然而，它们之间是怎样相互作用的呢？由于它们并没有直接接触，所以，它们也是通过第三者作为媒介物来相互作用的. 这个媒介物，我们把它叫做电场. 也就是说，电荷周围存在着电场.电场虽然与通常讲的实体物质不同，不是由分子、原子组成的，但它确是客观存在的i种特殊物质. 虽然我们看不见它（ 实际上，我们看不见的物质岂止电场，上面提到的压缩空气，也是看不见的），但它表现出来的性质，能够被我们检验出来. 因此，我们就从电场所表现出来的性质来研究它、认识它.电场表现出来的性质有二：一是它对置于其中的电荷施以力的作用；二是电场对电荷的作用力，对电荷可以做功，说明它具有能量.1 .描写电场的第一个特性电场对置于其中的电荷施以力的作用. 为了验证这个特性，我们利用一个检验电荷. 所谓检验电荷应具备两个条件，一是其体积很小，小到与它和静止电 荷 （ 电场源）的距离相比可以忽略不计，这样，用它可以研究电场中某一点的性质；二是它所带的电量应比较少，不要影响原来电场的分布. 至于检验电荷带什么电，是正电，还是负电，并不是原则性问题，但 ，为了统一研究，一般规定用正电荷. 把检验电荷+q放入场中某一位置，与静止电荷Q距离为r,如 图16—1所示，则电场对检验电荷施以力的作用，这个力的大小由库仑定律给出匚L QqF = k — .r+ Q（ ^） ----- -- - - -J r "图 i6-i q力的方向在静止电荷和检验电荷连线方向上. 从上式可以看出电场力的大小随检验电荷q的电量而变化，因此它不能用来描写电场本身. 但是，我们可以翻地看出，£的比值（ k孝 ）与检验电荷无关，只与产生电q r场的静电荷雷口场中的某T置r有关，当L 定的时候，£F是一个恒量. 如q果在场中该位置，放置电量为q ，的电荷，受力为F 」，则鸟的数值仍qF等于£, 即q可见，该恒量可以描写静电场中的某一点的力的性质，于是我们定义这个恒量为电场强度（ E ）,它由电场本身的性质决定，为一个矢量，其大小等于k g , 方向即是检验电荷受力的方向，可用下式表示rq如果已知电场中某点的电场强度，则检验电荷在该点所受的电场力由F = q E决定，受力方向即是该点的电场强度方向.这里应当指出：①在这段教学中，教师应着重培养学生抽象思维和逻辑推理的能力. 这是物理学中经常采用的方法，对今后学习电势、电容、磁感应强度等概念是有帮助的.②学生常常把E = 上和£ =当混同起来. 应引导学生把两者区别开q r来. 前者是电场强度的定义，适用于各种静电场情况，而后者，只是适用于静止点电荷产生的静电场情况.③引入电力线来描写电场，是为了使电场形象化而假想的线，并不是客观存在的，它只是描写电场的一个辅助手段.2 .描写电场的第二个特性首先要使学生明确，我们在研究电场力能够做功这一特性时，采用了与力学相类比的方法.为了研究方便，我们从最简单的匀强电场入手. 一匀强电场如图16 — 2所示，检验电荷q受电场力作用从A点移到B点，则电场力做功为W = qE • AB.进一步我们看到，如果检验电荷从A点沿AGB或ACDB运动到B点，则电场力做功仍为qE • 屈 ，这表明静电场力做功与路径无关.然后，我们引导学生回忆在力学中学到的知识，并与电场对比.重力做功与路径无关，为了计算方便，我们曾引入了重力势能的概念，重力做功的大小等于重力势能的减少；弹性力做功与路径无关，我们引入了弹性势能，弹性力做功的大小等于弹性势能的减少. 那么，既然电场力做功也与路径无关，我们仍然可以类比地引入电势能的概念，在图12 — 2的情况下，检验电荷q在电场中从A点移动到B点时，电场力所做的功应当等于电势能的减少,即W = g A - EB.式中I A为检验电荷q在场中A点时的电势能，&B为检验电荷q在场中B点时的电势能.应当给学生指出，物体的重力势能是属于物体和地球的，弹性势能是属于整个弹簧系统的. 因此，电势能是属于检验电荷q和电场的. 这就是说，电势能并不能用来描述电场本身的性质.但是，在电场中某点，£为一个恒量，它只决定于电场本身,q而与检验电荷无关，我们定义这个恒量为该点的电势，即u=-.q于是有E = qU.即电场中某点所具有的电势能等于该点的电势与检验电荷电量的乘积. 进而我们得到，电场力做功等于带电体电量与两点电势差的乘积，即W = & A - ； B = q U A - q UB= q U A i1.在给出这些基本概念和基本关系的基础上，可以通过具体例子，引导学生搞清以下一些问题.如何确定电场中各点电势的高低呢？结论是，电势的大小总是沿着电力线的方向降低，至于电势值的正负，与电势零点的选择有关，而电势零点的选择,原则上是任意的.例如，在一个匀强电场中，有与电力线平行的三点A、B、3如 图 16 — 3 所示. 可以肯定，电势按A、B、C三点顺序由高到低；若 取 C 点为电势零点，则 A、B 点电势均为正；若 取 B 点为电势零点，则 A点电势为正，C 点电势为负；若取A点为电势零点，则 B、C 点电势均为负值. 又如在图16 — 4 ( a ) 的发散场中，A点电势高于B 点电势，- 一 般取无穷远处为电势零点时，A、B 两点电势均为正值；而 在 图 16—4 ( b ) 的收敛场中B 点的电势高于A点的电势，若仍取无穷远为电势零点，则 A、B两点电势均为负值.如何确定场中各点电势能的大小呢？可以有两种方法.A B图 16-5第一种方法，根 据 “ 电场力做功等于电势能的减小”来判断，在如图1 6 - 5所示的发散场中，电场力使带正电荷的带电体+q 从A移到B,电场力做功，从而电势能减小， 所以A点的电势能大， B点的电势能小； 若带电体带的电荷为- q ,则受力方向相反，从A到B , 电场力做负功，从而电势能增加，所以B点电势能大，A点的小.第二种方法：根据场中各点电势的高低，再乘以带电体的电荷来确定. 如图 1 6 —4 所示的发散场中，则可以判定， A点电势高， B点电势低，即U, > U“ . 进而根据带电体所带电荷的正、负来确定电势能：如果带正电q ，则得& A > g B ；如果带负电- q , 则得& A V; B .总之，要引导学生从基本原理出发来判断. 在讲授时，不要离开根本的判别原理，去讨论正电荷产生的场中放正电荷如何，放负电荷如何，以及负电荷产生的场中放正电荷如何，放负电荷如何等等，致使学生虽然会了几种具体情况，但没有掌握要领.3 . 关于电场强度与电势的关系在中学阶段，我们主要讨论在匀强电场中电场强度和电势的关系. 所采用的方法仍然是与力学的有关内容相类比.由于电场强度是与电场对电荷的作用力相联系的，电势差是与在场中移动电荷所做的功相联系的，所以类比力和功有内在联系， 电场强度和电势必然存在着内在的联系. 为此，我们引导学生从电场力做功出发来求出这种联系. 在如图1 6 — 6 所示的匀强电场中，电场力把正电荷q 从A点移到B点( 位移为1 ) ,按电场力做功的概念，我们有W= q - E • 1 . ( 1 )按电场力做功与电势能的关系，我们有W= q - UA B . ( 2 )( 1 ) 和 ( 2 ) 式对比得到E - 1= UA B=U ,-U ,.,即E =U^_ = UA-UB为了加深学生对场强和电势关系的理解，可以围绕一些问题进行讨论. 例如，参 阅 图16 —7 .问两种情况中，A、B两点的电场强度谁大？不少学生可能会回答：在 图16-7 ( a )中，U>UB, EA> EB；在 图16-7 (b)中，UB>U„ EB>R.实际上，上述答案，只是关于电势的解答是正确的，而关于电场强度的解答则是错误的. 错在哪里，请读者思考.I Q IG XI QOI(ab))(7A-B・阶却BdAd§ 2关于电容导体带电后，很快就达到静电平衡状态，成为一个等势体. 这时，把电势计跟这个导体连接， 可以读出导体的电势数值. 导体带电越多， 其电势也越高. 实验表明，对于一个确定的导体来说，导体所带的电量跟它的电势比值是一个恒量. 不同的导体这一比值一般是不同的. 这个比值可以反映导体储电能力的大小，叫做导体的电容. 它决定于导体的形状和大小.在技术中常常需要用电容大的器件来储存电量， 但孤立的导体并不适用. 因为孤立的导体的电容很小，要增大它的电容，就必须增大它的体积. 然而，当这个带电导体的周围，有另一个绝缘的导体靠近它时，它的电势降低，使它带更多的电量，电势才恢复到原来的数值. 这就是说，它的电容增大了. 于是，人们利用这种性质，把两个彼此绝缘又互相靠近的导体组合起来，来增大它储电的本领. 这个导体组叫做电容器.组成电容器的两个导体叫做电容器的两个极. 常用的平行板电容器的两个极就是两块正对的、互相平行的、相隔很近而乂彼此绝缘的金属板.参 阅 图1 6 - 8 ,把平行板电容器与一个电势计连结起来，通过实验得知：给电容器充电Q时，电势计指示为U .当电量Q增大一倍时，U也 增 大 - - 倍 . 当Q减少一半时，U也减小一半.由此得出：言是一个恒量，而这个叵量与导体组所带电量的多少、与两板电势差无关，只决定于导体组本身，我们把这个恒量叫做平行板电容器的电容. 电容是描写导体组容电性能（ 即电容器储电本领）的物理量. 对于一个确定的平行板电容器，只要板的面积S确定，距 离d一定，中间的介质一 定 （ 即介电常数£ 一定），则电容就是一个确定的数值. 通过教材中所叙述的实验，可以得到平行板电容器的电容为告诉学生，电容器的种类很多，并拿出实物，有的可以拆开，如纸介电容器，令学生观察. 电容器上般标有两个数值：电容和额定电压. 如果加在电容器两极板上的电压超过额定电压，电介质将被击穿，电容器就损坏了.电容器除了可用来储存电荷和电能外，还有许多其它用途，在今后的儿章中再学习.关于电容器的串联和并联公式的推导，只要学生掌握了电路的特点，就很容易得出结论.为了让学生巩固和活化概念，可以讨论如下问题：一平行金属板电容器，A、B两极板距离为d= 2 m m ,电源电动势；€ = 1 0 V ,连接成如图1 6 —9所示的电路. 首先合上开关S ,把电容器两个金属板间的距离缩 短 为1 m m ；打开开关S ,再把电容器两个金属板间距离恢复到2 m m. 问 ，这时两板间的电势差等于多大？EA图 16-9有的同学会认为，最后又回到开始的情况，当然两极板间的电势差为零；也有的同学会认为，合上开关S ,两板间的电势差为1 0 V ,缩短间距后又恢复原状，所以两板间电势差仍为1 0 V .但，这两种答案都是不正确的.我们应引导学生注意物理过程，从基本概念来分析:①合上开关S ,这是电源给电容器充电过程，使电容器带电为Q ,两板间电势差为10V.②把两极板间距离缩小一半，使电容器的电容量增大一倍，根据。

号得知，这时电容器容电本领增大了，电源继续给电容器充电，使电容器带电为2 Q ,而两板间电势差仍为10V.③打开开关S ,这是断绝电容器与电源的联系，使电容器的电量保持恒定不变.◎巴两板间距离灰复原状，使电容器的电容量减小一半，根据C奇，Q一定，C小了一半，则U必然增大1倍，从而得知：两板间电势差为20V.这才是正确的解答.此外，还可以让学生讨论一些综合性的练习题，借以融汇贯通地应用本章的基本概念，以至与物理学其他部分( 如力学) 结合起来解决一些简单的和比较复杂的物理问题.£116-10例如， 带负电的小球“ 悬浮” 在平行板电容器两极板间， 距低电势板h=0. 8cm,两极板间电势差U=300V,如图16 — 10所示. 如果两极板间的电势差减小到U2= 6 0 V ,那么，带电小球达到低电势板上需多长时间？这个问题比较简单. 取带负电的小球为研究对象. 它共受两个力：竖直向下的重力mg和竖直向上的电场力qE ( = q ? ) ,式中d是两d极板间的距离.根据题意，当两极板之间的电势差等于300V时，带电小球平衡不动，根据平衡条件得m g = q —当I L = 6 O V时，重力大于电场力，带电小球所受的合力的大小等于mg-q3,方向竖直向下，因此小球做初速度为零的匀加速直线潮,d其加速度为a ,根据牛顿第二定律得为了捌、 球埸岷电势板的时前，才睫牙）唯直线阚的位移公式，得解（ 1 ）、（ 2 ）、（ 3 ）式，可知带电小球达到低电势板所需的时间为2叫（ U「 % ）g将已知数据代入上式，便可计算出结果.又如，为了巩固、深化、活化概念，可参阅图1 6 —1 1所示的电路，讨论如下儿个问题.①如果把质量为m、带 负 电I q |的油滴放在电容器两极板中间，问油滴能静止不动吗？这个问题比较简单，学生很容易得出正确结论.取油滴为研究对象，共受两个力：竖直向下的重力m g ,竖直向上的电场力q E .如果满足m g = q E ,则油滴能静止不动. 否则，当m g > q E时，油滴向下运动,当m g < q E时，油滴向上运动.②设该油滴在电容器两板中间处于静止状态. 如果将电容器两板间的距离缩小一点，则油滴还能保持平衡吗？油滴处于平衡意味着mg=qE. 当 d 缩小时，电容器两板的电势差恒定不变，根据E = ＞ ，E 将变大，所以，油滴所受的电场力大于重力，从而油滴不能继续保持平衡，而向上运动.③接续②的过程，油滴向上加速运动过程中，在它达到上极板M 之前，检流 计 G 中有无电流通过？学生很容易想当然认为， 油滴既然没有碰到上板M, 与检流计没有发生关系,因此没有电流. 这个结论又是错误的. 要知道，当两板间距离缩小时，电容器的电容量增大. 根据电容的定义。

争 得 知 ，电源给电容器充电，因此，检流计中有电流通过，从 a 流 向 b.总之，通过结合基本概念和规律的练习题，只要把分析问题的思路教给学生，把道理讲透，将会起到举一反三，以一贯十的效果.第 十 七 章 “ 稳恒电流”教学研究稳恒电流部分的教材，首先是对初中有关知识进行复习，例如电流、电阻、电功率、欧姆定律、焦耳定律和串联、并联电路等电学基础知识，注重把这些基础知识搞扎实，并适当加以扩展和提高；在此基础上，进入本章的重点教学内容一 一电源电动势和闭合电路欧姆定律；最后，讲授有关知识的应用和有关物理量的测量. 无论从本章内容在电学全篇所处的地位来看，还是从它所体现的联系实际的意义来看，稳恒电流的教学都十分重要. 在教学中要同时注重学生基础知识的掌握和能力的培养.§ 1关于电动势的教学电动势概念和闭合电路的欧姆定律是稳恒电流教学的重点，也是难点内容 . 如 何 引 入 、如何定义电动势概念，以及如何导出闭合电路的欧姆定律等，是值得讨论研究的问题.下面介绍有关电动势和闭合电路欧姆定律的几种讲法.一种讲法是，首先用两个导线把一个电压表和一个电源（ 例如，干电池或蓄电池）正确地联接起来，如图1 7 — 1 所示. 令学生观察电压表的指示，记下数据.然后， 给电路并联上一个电阻R , 如图1 7 —2 所示. 学生观察电压表的指示变小；再并联一个电阻R ”如图1 7 — 3 所示，电压表的指示继续减小. 这时，引导学生讨论：为什么随着并联电阻增多，电源两端的电压越来越小呢？分析表明，这个现象的要害，是说明了电源内部具有一定的电阻，叫做电源的内阻. 当尚未并联上外电阻时，由于电压表内阻相当大，所以在电源和电压表回路中，电流相当小，它在电源内部几乎没有能量损失；当并联一个外电阻以后，流过电源的电流比刚才大得多，从而消耗在电源内部的能量增大，电压表的指示减小；……可见，如果电源没有内阻，则无论并联多少个电阻，电压表的指示也不会改变. 正因为电源内部有电阻，才有上述观察的结果，即电源断路时，其两端的电压最大.在分析上述现象的基础上，给出定义：电源是一个供给能量的装置，电源内部具有电阻，当断路（ 开路）时，电源两端的电压最大，叫做电源的电动势（ & ）.在定义了电动势的概念以后，进一步进行下列实验：用两个干电池和一个电阻r串联成一个特殊电池组， 作为电源，如图1 7 —4所示. 由于干电池本身的内阻比电阻r小得很多，从而可以忽略不计，则 r 为这个电源的内阻. 用这个电源与电阻R 、电流表、电压表等联成如图1 7 —5 所示的电路. 电压表M用来测量电源两端电压；电压表也用来测量电源“ 内阻”两端电压；电流表用来测量电路中的电流. r 和 R的数值为已知.令学生观察，在断路（ 未合上开关S ）情况下，三个电表的指示，记下观察所得数据：只有电压表W 有指示，根据电源电动势的定义，得知g = 1 1 （ %的指示数）.合上开关S , 再令学生观察三个电表的指示，并记录下数据. 根据实验数据得知：①两个电压表的指示数值的总和，等于断路时所测出的电源电动势的数直,即& = U, + U2.②电流表的指示数值跟电阻R的数值的乘积，等于电压表V , 的指示数值即U. = I R .③电流表的指示数值跟内阻r的数值的乘积，等于电压表% 的指示数值，即U2= I r .综合以上结果，得到M = 1 （ R + r ）.或1 = ^^改变电路中电阻R的数值，重做上述实验，仍得上述结论.这样，由实验总结概括出了闭合电路的欧姆定律.最后，为了巩固知识，可做如下的练习：参阅图1 7 —6 所示电路. 当未合上开关S 时，电压表的读数为1 . 5 V . 合上开关S以后，电压表的读数为1 . 2 V ,电流表的读数为0 . 2 A. 试求电源的电动势&、内阻r 和电阻R 各等于多大.另一种讲法是，从维持稳恒电流必须在电路两端有恒定的电势差入手. 参阅图1 7 —7 , 如果A、B 是电源的两极板，A 点电势高，B 点电势低，要想维持外电路的稳恒电流，必须使A、B 之间有固定的电势差，因此，随着A 板的正电荷沿外电路移到B 板，需要不断地把正电荷从B 板搬到A 板. 于是定义：把单位正电荷从负极板搬到正极板，外来力所做的功叫做电源的电动势. 而电源的能量消耗在外电路和内电路的总热效应上，即I - A t • ； =FR • A t+ I2r • A t,所以有" I（ R + r ）或 1 = 二 & .从而导出了闭合电路的欧姆定律.还有- •种讲法是，从电源的两极板尚未带电讲起（ 当然，也还没有联接外电路）. 在两极板不带电时，它们之间没有静电场. 这时，把正电荷从B 板搬到 A 板上不需要反抗电场力做功. 而当A 板带上- 点正电， B 板带上一点负电时,两板间就有较弱的均匀电场，这时，把正电荷从B 板搬到A 板上，外来力就需要反抗电场力做功. ……这样，不断地把正电荷从B 板搬到A 板，电源两端的电压不断增大，直到这种电源的外来力（ 非静电力）做出它能够做的最大的功时为止. 此时，电源两端的电压达到稳定值，叫做电源的电动势.当电源与外电路接通时，随着正电荷从A板不断地沿着外电路移至B板，外来力不断地把正电荷从B板搬至A板，以维持稳恒电流. 可见，外来力把单位正电荷从负极板B搬至正极板A反抗电场力所做的功，消耗在外电路和内电路产生的热效应上，从而导出了闭合电路的欧姆定律.以上几种处理，各有其优、缺点. 前者着重于实验，由实验事实定义概念、建立规律；后者侧重于实质，从理论上分析，建立概念和规律. 因此，能否用最简单的方法，使两者兼顾，这就是说，既要涉及表面现象，又要涉及电动势的 实 质 （ 当然，不宜展开，只作定性简单说明），同时，又不费时间，很容易被学生接受. 请大家都来探讨、尝试，总结出较好的方案. 或者，根据不同的对象，区别对待，要求有所不同. 也请大家不断地试验、总结，达到较好的教学效果.§ 2电源电动势和内阻的测定电源电动势和内阻，是需要测量的两个基本物理量，测量方法是很多的. 在中学阶段，要求学生会利用电流表和电压表来进行测量，•方面可以熟习电路和熟习两种电表的使用；另一方面通过实际测量进行数据处理，培养学生实验技能.i——Q —R -——J I..I ._____/ 二SJ17-8实验电路的原理很简单，按 图1 7 -8接好电路. 在不考虑电流表和电压表内阻的情况下，调节可变电阻到某一阻值，读出两表读数L和U ”改变可变电阻到另一个阻值，读出两表读数L和L ,将两次测量数据带入下式.E =U,+I,r,& =U2+I>r,可求得，和r值. 这样求得的结果、误差很大.为了减小实验误差，采用多次测量，并用图线法求解. 仍用图1 7 —8的实验装置，多次调节可变电阻，得到一系列I 和U的对应值，建立U - ［ 的坐标系，将实验测量值描点，并连成线，我们近似地得到一条直线，如图1 7 —9 所示. 把直线上端延长交纵轴于一点，根据断路时1 = 0 , U = & , 与纵轴交点处的数值即电源电动势值；把直线下端延长，与横轴相交，夹角为。

这个交点对应于路端电压为零的情况，夹角9 的正切值即为电源的内阻信，t a n 9 = Y = r .我们还可以把线路改为图1 7 —1 0 所示的连接电路，来进行测量. 考虑到电流表和电压表有内阻的情况下，哪种线路比较好呢？在图1 7 —8中，电压表量出的是电源两端的电压，或说是电流表和负载两端的端压，而在图1 7 —1 0 中，电流表连在下边，电压表量出的是负载两端的电压，即为电源和电流表两端的电压. 在图1 7 —8的线路中，电流表指示的电流是通过可变电阻的电流，而不图 17-10是通过电源的电流，电源电流在A点分为两个支路，尽管通过电压表的电流很小，但总是分流了，因此电流表指示的电流实际上小于通过电源的电流，由； = U +I r , I 偏小，所以测得的电动势； 偏小；在图1 7 —1 0 的线路中，电流表指示的是总电流，即通过电源的电流，而电压表量出的又不是电源两端的电压,是电源和电流表两端的电压，所以有U = ； T ( r +R g )致使测得的， 和r 误差偏大. 两种线路比较，如图17 — 11所示. 第一种线路比较好. 由于电压表内阻较大，只要选择灵敏度较高的电压表，分流电流很小，误差可以减小.这里应当指出，测量电源电动势和内阻，还可以只用一个电表（ 电流表或电压表），这时需要把可变电阻改为可读数的电阻箱.如果只用电流表，线路如图17 — 12所示，如果只用电压表，线路如图17一13所示. 实验步骤与上述类似.这两种线路，哪种比较好呢？请读者思考.§ 3 关于电功和电功率首先应当复习电功、电功率的概念和焦耳定律. 这三者跟欧姆定律有密切的联系，它们都贯穿着能量转换和守恒定律. 在教学中要注意从能量的角度分析这些概念、规律及其应用.我们知道，在导体两端加上电压，导体内就存在电场，电场力在推动自由电子定向移动中要做功，这就是所谓电流的功（ 或电功）. 关于电功与哪些因素有关，当然可以从已有的知识通过数学推导得到：即电场力所做的功W = q U ,而根据电流强度的定义（ 1 = ；）可知，q = It,所以有W=UIt.即，电流在i段电路上所做的功，跟这段电路两端的电压、电路中的电流强度和通电时间成正比. 但是，为了加深学生的印象，最好从演示实验入手，或通过实验验证这个结论. 利用两个不同的电灯，在串联与并联两种情况下相互比较， 说明电功与电流强度、 电压和时间三者有关， 且随三者的增大而增大. 在这个基础上，很容易地得到：电流所做的功跟完成这些功所用时间的比值即电功率为P = U I .进一步给出通过实验得到的电流的热效应，即电流通过导体产生的热量，跟电流强度的平方、导体的电阻和通电时间成正比，其数学表达为Q = F R t （ J ）,这就是焦耳定律.然后，找出电功和电热的关系, 从W = U I t ,考虑到U = I R ,得 到U I t =「R t ,等式右边刚好就是焦耳定律的数学表述. 但是必须明确，只有在纯电阻电路中，电能才能完全转化为热（ 内能），这种情况下还可以使用下列数学表述式：W = UIt = I2Rt = ­t.若不是纯电阻电路，电能除转化为内能外，还有一- 部分转化为其他形式的能量，故电流的功显然应大于电路中产生的热，因此，只能用W = U I t来计算功了.例如，在给蓄电池充电或电流通过电动机、电解槽等用电器的时候，外电路或用电器内部存在一种反抗电流通过的电动势，我们称之为反电动势，在含有反电动势的电路中，其功率分配和能量分配有什么新情况呢？我们用图1 7 —1 4的电路来研究含有反电动势的电路. 从欧姆定律可知，外加电压应等于AB间所有电势降低之和，即—| ।——IBR r------- U----------------------*图17-14U = IR + ; 反+ Ir = I (R + r ) + ， 反,所以有这就是含反电动势电路的欧姆定律.如果我们在U = IR + ; 反+ Ir 的两边各乘以I , 则有U I= FR + ； 反 I+ I2r .式中U I是整个电路消耗功率， 「 R 是电阻R 发热消耗的功率，,反 I是含反电动势的用电器吸收的功率，I T 是用电器发热消耗的功率. 利用同样方法，我们可以让学生自己导出这种情况下的能量分配，即U It = FR t + & 反 It + I2r t .这个能量分配公式的物理本质就是，用电器所吸收的电能，就是相应地转化为其他形式能的量值，例如在给蓄电池充电和电解中，把电能转化为化学能,在电动机中，把电能转化为机械能. 一句话，它们严格地遵循着能量转化和守恒定律.§4 解电路问题的方法在讲清基本概念的同时. ，要教给学生分析电路问题的思路和方法. 解决电路问题的方法是怎样的呢？1 . “ 路要清”仍然是要明确物理过程，这当然不像力学中分析物体做什么运动，这是指要明确电流如何流动，电压如何分配等，即 “ 路要清”.例如， 参阅图1 7 —1 5 ,试求两个电流表分别量出的是通过什么电阻的电流？----------⑤------Rl R2 R3 .图17-15如果路不清，是很易答错的，若把上述电路改画为图17—16的形式，则很容易看出：电流表A,测量的是通过R和R,的总电流，图 17-16电流表人测量的是通过艮和R,的 总 电 流 . （ 这里顺便指出，在中学阶段,只利用比较简单的电路，训练学生这种基本功，不应引入复杂的网路. ）2 .确定研究对象根据问题的要求和计算方便，确定研究对象.3 .选用规律列方程分析研究对象的特点，选 用 规 律 . 如 ，并联电路的各支路电压相等，总电流等于各支路电流之和；串联电路的各部分电流相等，总电压等于各分电压之和；或许要研究电路的功率分配、能量分配和能量守恒. 最后列方程，求解.例如，参阅图17—17, 6个相同的电源（ 每个电源都是图17 —4所示的电源 ），电动势等于；，内阻为r ,导线电阻忽略不计，问A、B、C、D、E、F各点，哪点电势高？乍一看，A点的电势比B点的高，B点的比C点的高……，F点的电势又比A点的高，似乎得出一个“ 循环高”的结论. 这个结论是错误的，错在没有从基本概念和规律出发，没有按照基本思路和方法去分析问题，而是想当然地去判断.为了比较A、B两点的电势高低，我们选取包含一个电源的A B电路，设通过的电流为I ，如 图1 7 — 1 8所示. 根据欧姆定律得U . ,B= € - I r , （ 1 ）一个方程有两个未知量（ U *和I ）,所以还必须补列一个方程.再取整个闭合电路为研究对象，系电源串联，根据闭合电路的欧姆定律得一 士 ⑵由（ 1 ）和（ 2 ）式解得=三 一 。

* r = 0 .同理，可求得U * =0 ,氏=0 , …….由此可知，A、B、C、D、E、F各点的电势一样高.为了巩固、活化基本概念，除计算题外，还可以布置一些讨论题、分析题,让学生思考.图 17-19例如，参阅图1 7 — 1 9所示的电路. 当合上S时，检流计指示出电流从N流向M ,电桥不平衡. 问：若使电桥平衡，触 点M应向哪个方向移动？乍一看，M点已经靠近A端了，所以学生往往很自然答出M点必须向B点移动，其实，这是错误的.要告诉学生，判断M点移动方向，同样不能靠想当然. 题目给出电流从N至I J M,说明N点电势高，M点电势低. 要使平衡，需提高触点M的 电 势 . 而A、B两点中，A点接电源正端，B点接负端，A点电势高于B点电势，所以要提高触点M的电势，需把M向A方向移动.又如，参阅图1 7 —2 0 所示的电路. 把开关S 合上时，三个表都有指示. 问当可变电阻变小( 触点向左移动) 时，三个表的读数如何改变？可以让学生根据有关知识进行分析， 得出结论. 首先要明确：电流表A 测量的是电路中的总电流；电压表V , 测量的是可变电阻两端的电压；匕测量的是电源两端的电压. 根据 闭 合 电 路 欧 姆 定 律 ( R+ r ) ,得知，由于R 变小，引起总电流增大，即电流表读数增大；由于I 增大，电源的内阻产生的电压降落增大，即 I r 增大，从而电压表V ” 测出的电源两端电压减小；由于％和％系并联，两个电压表的读数应当相等，所以电压表明的读数也减小.还可以把线路改成图1 7 — 2 1 所示，再让学生思考：当可变电阻R 增大时，三个表的读数如何变化？再如， 参阅图1 7 — 2 2 所示的电路. 在未合上开关S时， 三个电表都有指示,而且电流表A , 和电流表出的指示相同. 当合上开关S 之后，三个电表的指示跟原来相比是变大了，变小了，是不变，还是不肯定？电流表A和电压表V的指示怎样变化， 是很容易得出正确答案的. 然而，电流表儿的指示怎样变化，学生们很容易得出不肯定的答案，要由R和艮两个电阻值的大小来确定. 实际上，这个答案是错误的. 应引导学生从基本概念去分析，也很容易得出正确答案：无论R和兄的阻值等于多大， 电流表人的指示跟原来相比变小了. 其原因是什么，请读者思考.为了复习前一章静电学的知识，同时把前后知识结合起来，可让学生思考和计算如下问题.参阅图1 7 — 2 3所示电路，电源的内阻忽略不计，， =6 V , C E X I C H F , O2X10-R R =4 Q , R ；= 2 Q .试求八的数值.从图中可知，C、D之间不是通路，因此，不能直接根据欧姆定律来求出C、D两点的电势差. 可分别求出C点和D点的电势，则可知上的数值.首先取A D B A闭合电路为研究对象，根据欧姆定律得知R1+R将已知数据代入，得知I =1 A .再取电路D B为研究对象（ 当然也可以取A D为研究对象），根据欧姆定律,并将已知数据代入，得U »=I R2=2 V ,由于B点接地，UB= 0 ,所以D点的电势U =2 V .下面求C点的电势. 取电路A C B为研究对象，其特点是:①各电容器上的电量相等，得Q= 3U-将已知数据代入得UA C=2UC B.②总电压等于分电压之和，即UA C+UC B=6 ,由以上两个方程，解得必=2 V ,即Uc=2V.从而得知Us=Uc-U“=O.再如，参 阅 图1 7 —2 4 ,可变电阻的触点刚好在R的中间时，电流表A的读数 为2 A .这时带电q =- 8 X 1 0」C的油滴，在平行板电容器中间处于平衡，电路中& =1 8 V , r =l Q ； R =5Q , L = 6 Q ,平行板间距离 d =2 c m .试求：图 17-24 R2=6Q（ 1 ）油滴的质量m =?（ 2 ）可变电阻的总电阻值R =?（ 3 ）当触点向上或向下移动时，油滴向哪个方向移动？首先，从油滴处于平衡状态，对其进行受力分析可知，油滴所受的重力和电场力大小相等方向相反，m g = q E , E为平行板电容器间的电场强度，它决定于两板电势差和两板间距离d ,即£ =学，而这里的U a bd是电路中电阻R两端的电压. 于是可以求得口 .然后，按闭合电路欧姆定律，，=I (R & + r),可以求得外电路总电阻而这个总电阻是由电阻R2和 £并联起来又串联Ri构成的. 因此可求得R值.R当可变电阻的触点向上移动时，相当于原电路的E增大，即电路总电阻R百变大，引起电路总电流变小，致使电阻Ri两端的电压降减小，从而油滴所受的电场力变小. 由于叫〉q 1 ,所以油滴将向下做加速运动.dR同样道理，当可变电阻的触点向下移动时，相当于电路中的5减小，即电路总电阻R宫变小，引起电路总电流变大，致使电阻R1两端的电压降增大，从而油滴所受的电场力变大，由于tn g < q l，所以油滴d将向上做加速运动.如果再结合运动学和动力学知识，给出改变可变电阻的具体阻值，可令学生计算油滴做加速运动中加速度的大小.总之，通过灵活多变的思考、讨论题，加深对基本概念和规律的理解，同时培养学生思考问题、分析问题的思路和方法. 这方面教学应当加强，但对于复杂的电路和繁杂的计算，不宜展开.第十八章几何光学教学研究光学既是物理学中古老的一部分，又是很有发展前途的一门学科. 光学的历史发展大约经过以下几个阶段：第一阶段，从两千多年前远古时代到16世纪的萌芽时期，人们通过观察，认识并总结了一些光学知识，如光的直线传播，小孔成像，光的反射等等；第二阶段，16〜1 7世纪的几何光学的时期，明确建立了光的反射、折射定律，奠定了儿何光学的基础，望远镜、显微镜的发明为研究大到天体、小到微生物提供了手段；第三阶段，18〜1 9世纪的波动光学时期，在认识光的本质方面，主要倾向于波动说，认为光是以波动的形式向周围传播，成功地解释了光的干涉和衍射现象；第四阶段，1 9世纪到本世纪中叶的量子光学时代，全面地认识了光的波粒二象性，使物理光学获得了全面的发展;第五阶段，从本世纪中叶到目前以至今后一个时期的现代光学时期，主要特征表现为光学与其他学科互相渗透，发展了纤维光学、薄膜光学、集成光学、激光物理以至光计算机的研制等等.在中学物理课中，如果把几何光学的内容都安排在初中是不够理想的，由于初中学生接受能力的限制，儿何光学中一些重要知识不好涉及，而这些知识又往往是解决几何光学问题经常应用的. 因此，根据目前学生的基础情况，最好在初中阶段以增强感性知识为主，在高中也继续安排儿何光学的内容，讲授基础知识，并增强抽象思维能力.如果在初中讲授光的初步知识及其简单应用，则在高中关于儿何光学的内容，可以跟波动光学部分结合起来，作为波动光学的一种简便的研究方法来处理，删去几何成像的繁杂计算，突出概念、光路分析及其应用.在学生学习了光传播的波动性——干涉、衍射，以及波的描述之后，引入波面和光线概念，从而以光线的概念来分别研究光在透明介质中运动的一些规律及其应用.§ 1波面和光线任何光源，都是电磁波源. 光源不断地向周围空间发射电磁波. 我们眼睛能够接收的是频率从3 9X10「〜7. 5X10「Hz的电磁波, 叫做可见光波, 简称为光波.点光源发射的光波，在真空中或在均匀介质中可以看作是球面波. 半径很大的球面上的一小部分，可以看作为平面波，例如，从太阳表面射出的球面波到达地面时，就可以看作是平面波.为了形象地表示波传播的方向，在某一点想象地作出跟波面相交的垂直线,叫做波线. 对于光波来说，波线又叫做光线. 许多光线合在一起，叫作光束. 自一点发出的光束叫做发散光束，其波面是凸形的球面，如 图18—1 ( a )所示；收敛于一点的光束叫作汇聚光束，其波面是凹形波面，如 图18 —1 ( b )所示；互相平行的光组成平行光束，其波面是平面，如 图18—1 ( c )所示.自然界是既没有光线，也没有光束，有的是光的电磁波. 光线、光束的概念，是为了在研究光学现象时便于讨论而引入的一个纯粹假想的概念. 光线只表示光能传播的方向. 不用凸面光波、平面光波和凹面光波，而用发散光束、平面光束和会聚光束, 就觉得简单、方便得多.利用光线的概念, 可以说明许多光的传播现象.§ 2 光传播遵循的规律1 . 光的直线传播光在均匀介质中沿直线传播，也就是说，在均匀介质中光线是直线.光束的传播具有一个重要的特征是独立性，即一束光的直线传播， 不因存在有另一束光而受到影响. 例如，甲、乙二人分别通过小孔看到物体A和 B ,如图 18 — 2 所示，并不因为A 和 B发生的光线在小孔处相交，而使其传播受到影响.自然界中的许多光学现象都可以用光的直线传播规律加以解释，如小孔成像，影的形成等，止 匕 外 ，射击时的瞄准，大地测量等也都是应用了光在均匀介质中直线传播的性质.光在不同介质中的传播速度是不同的. 光在真空中的传播速度c = 3X108m/s;光在水中的传播速度丫水= 区3光在玻璃中的传播速度V四 两 种 介 质 相 比 较 ，洸速较大的叫光疏介质，光速较小的介质叫光密介质. 介质的光疏、光密没有绝对意义，只具有相对意义.在某一种介质中前进的光，遇到另一种介质时，将有一部分被反射回到原来的介质中，另一部分进入新的介质中. 从能量观点看，还有一部分光被介质所吸收，变为介质的内能.2 . 反射定律早在光学的萌芽时期，人类就认识了这个光学现象，它指的是在某种介质中传播的光，当遇到另一种介质时被反射的现象.反射有两种:镜 反 射 即光遇到另一种介质的界面是一个理想平面，这时的反射现象如图18 — 3所示，入射光线、反射光线和入射点的法线在同一平面上，且入射角等于反射角.毛 面 反 射 光遇到另一种介质的界面是一个凹凸不平的毛面，我们采取分小段的办法把这个凹凸不平的毛面的充分小的部分近似地看成理想平面，落到上面的光线满足镜反射规律，于是从总体效果看，在任意方向上都会有反射光线,光学上也把这种现象称为漫反射.平面镜的成像是反射定律的具体应用. 应当给学生指出，平面镜对光的控制作用只是改变光的方向. 它成像的规律有以下儿条：①平面镜的像不是由实际光线会聚而成，而是由实际光线的反向延长线会聚形成的，因此成的是虚像,不能用光屏接收下来；②物和像具有对称性，且物、像对镜面的垂直距离相等,物、像上的相应点到达镜面上某同一点的距离也相等；③物、像大小相等，沿镜面的平行方向上，物、像不颠倒，但在垂直镜面的方向上物、像调换方向，这种方向的调换可以通过偶数次反射而消除.为了巩固这些知识，可以举一系列简单的例子.图 18-4例如可以让学生做实验，如 图18—4所示，使两个镜子M和N的平面构成一个直角，让光线沿某一方向射向M ,观察从N反射的光线方向；改变入射到M镜上的光线的方向，再观察从N镜反射出的光线方向；使光线射向N镜，观察从M镜反射出的光线方向，在观察的基础上，再让学生证明， 在这样的装置中，反射光线总是平行于入射光线，方向相反.关于凹面镜和凸面镜的聚光、散光作用，以及在实践中的应用，可以作为反射定律的应用，通过演示实验或例题来说明.3 . 折射定律光射到两种介质的交界面上，有一部分光进入到第二种介质中，并改变其传播方向，这种现象叫做光的折射.关于光的折射定律，主要讲三个问题.( 1 ) 光在折射的时候，遵从什么规律.可以通过实验，总结出规律. 请参阅本书第一章第二节里“ 根据实验所取得的数据，总结、概括出物理规律”所列举的例子. 这里不再重复.( 2 ) 为什么光从一种介质进入另一介质时，要发生折射呢？原来，这是由于光在两种介质中的传播速度不同的结果. 设v , 和 V ? 分别为光波在第一种介质和第二种介质中的传播速度， 并设M N 为两种介质的分界面( 图1 8 - 5 ) .当 t = t 0 时，入射波的波面达到A B 位置，而当t = t , 时，B点达到C点，B C 的距离为B C = v , ( t , - t o ) .在这段时间内， A点的子波是在第二种介质中传播， 传播到达以A点为圆心,半径为v z ( t 「 t 0 ) 的圆弧上. 可见，在 t = t , 时的波面是通过C点和这个圆弧相切的直线C D . 跟这个波面垂直的直线A D 就是折射光线.由图1 8 - 5 可知：B C = V i ( t - t o ) = A C , s i n i ,B C =V2 ( t - t o ) = A C • s i n r ,两式相除，得-a-m- = —V js i n r v2上式表明：入射角的正弦和折射角的正弦之比，等于第一种介质和第二种介质的光速之比. 这个比值叫做第二种介质相对于第i种介质的折射率，用符号r h i表式，即n21-s-i n-i =—%s m r v2如果光线是从真空射到某种介质里，光在真空里的传播速度用C表示，光在介质里的传播速度用V表示，根据上面的关系式，得s i n i c- - = -=n .s i n r v我们把光从真空射入介质的折射率，叫做绝对折射率，简称折射率.如果知道两种介质的折射率，很容易求出两种介质的相对折射率.例如，已知水的折射率m = l . 33,玻璃的折射率n ? = L 51.根据n】 =一 ,n2 = — ^ On12 =— ,得知V j v2 v2“十得= 114 . （ 1）即玻璃对水的折射率加等于1. 14 .这表明：光从水中射入玻璃时，入射角大于折射角.同理，也可以求得水对玻璃的折射率.n , 1.33 , 、ni 2 =— = T -7 T = 0.8 8 . （ 2）1J 1这表明：光线从玻璃射入水中时，入射角小于折射角.从（ 1）和（ 2）式，得知1这也说明了在折射现象里，光路也是可逆的.（ 3）运用折射定律说明、解释一些现象，以及扩展一些知识.除了解释日常生活常见的折射现象以外，可以讲述平行平面透明板的折射,以及根据测量位移的数据，来求出这种透明板的折射率.通过实验，研究反射和折射的联系，全反射现象，以及全反射现象的应用:测折射率、改 变 光 路 （ 利用全反射棱镜改变光路，如 图18 —6所示）、纤维导像管等.§3透镜及其成像透镜的主要作用就是成像.在中学阶段，主要讲述薄透镜.首先应让学生了解有关薄凸透镜成像的几个基本概念.簿 透 镜 透镜中央部分的厚度比两个折射面的曲率半径小得多的透镜.我们所研究的透镜成像规律，都是针对薄透镜的.主 光 轴 透镜的两个折射面曲率中心的连线（ 或延长线）叫主光轴.光 心 是主光轴上的一个特殊点，凡通过该点的光线都不改变原来传播方向.焦 点 跟主光轴平行的近轴光线束，经凸透镜折射会聚在主光轴的同一点，这一 点 称 为 （ 主）焦 点F .焦 距 主焦点到光心的距离叫透镜的焦距f .这部分内容对学生的总要求是，从观察实验出发，把折射定律运用到透镜对光路的控制上，建立对透镜成像情况的全面认识，熟练掌握透镜成像作图法,能理解、应用透镜成像公式，并对成像的位置和性质（ 实虚、倒正、放大或缩小）进行讨论. 在教学中可以重点讲授凸透镜，然后引导学生自己对凹透镜有所了解.如果学生基础较好，可以通过如下练习题引入副光轴、副焦点等概念. 在透镜••侧主光轴上放一点光源S ,求S在透镜另一- 侧所成的像. 使学生发现利用原有的知识是不能解决的（ S点通过光心和平行主轴的光线都与主光轴重合），从而引入副光轴，副焦点和焦平面的概念. 我们画一条S M光线，然后，过光心0 作 SM的平行线，我们称这条过0 点且平行于SM的光线PQ为副光轴，该线与过 E 垂直于主光轴的平面交于一点F' “叫做副焦点，连 MF' z交主光轴于一点S ' ,即是所求S 点的像，如 图 18 — 7 所示.为了巩固透镜成像规律，可以适当选配一些练习，让学生用作图法和公式法对各种成像情况进行讨论.例如，正方形画片和光屏相距3 m ,问要选用焦距为多少的透镜，将它放到什么位置，才能在光屏上得到面积放大到81倍的像？在应用透镜公式解决问题时，一定要避免硬套公式的错误，要认真分析物、像的位置，特别是分析像的特征，以便正确地确定公式中各项的符号.本题中，既然所成的像能够被光屏接收，必定是实像，所以用的是凸透镜,f 为正；从几何学可知像与物体( 画片) 是一对相似形，所以面积之比等于对应边的平方之比，即面积放大率Ks=K?=81,所以一维放大率K=9.按题意，u+v=300 (c m ),而vK = - = 9.将上两式联立，解 得 u=30 (cm) , v=270 (c m ), 把 u 和 v 的值带入透镜公式! = 1 = 工 ，解得f = 27 (c m ).I u V在得出结果后，我们应该告诉学生，这种把透镜放到距画片很近的位置，在相对很远的屏上得到放大实像的情况，就是幻灯机的原理. 为深化、活化知识，可以进一步让学生回答，将上述透镜再移到哪里，又可以在光屏上得像？这个像的面积放大率是多少？这里应当说明，如果给高中学生介绍一下像差，也是很有益的.我们用一个凸透镜放大书上的字体时，将会发现：放大出来的字是中间部分的字体工整，边缘的字体却发生了变形. 这种成像模糊或跟物体有差别的现象，是透镜的缺点，叫做像差.产生像差的原因很多，可以只介绍一两种. 例如，用实验事实来说明球差:取一个直径较大的、焦距较小的凸透镜，把一个点光源放在透镜的主轴上. 像屏放在透镜的另一侧，实验结果发现：点光源发出的宽光束通过透镜在像屏上成像（ 图18-8）,但是，无论怎样移动像屏，只能在像屏上看到模糊的光斑，光线不能很好地会聚于一点.如果在透镜前放一块有小孔的纸板，即所谓的光阑，并且切口正中心在主轴 上 （ 图18—9）,那么，通过透镜的是狭窄光束，这时，在像屏上观察到的像就比较清楚了. 去掉有小孔的纸板，像又变模糊了.可见，光束通过透镜的不同区域（ 中央的或边缘），成像的位置也不同. 因此，直径较大、焦距较小的透镜，对点光源所成的像是一个模糊的光斑，而不是一个清晰的像点. 这种像差叫做球面像差，简称球差.由于球差的存在，对于照相机、观测仪器的影响很大，因此，必须设法消除.透镜的球差， 一般用两个透镜（ 凸透镜和凹透镜） 复合成的透镜组来消除. 使会聚透镜和发散透镜的球差正好相消，或基本相消. 显微镜和望远镜的物镜，照相机的镜头都是采用这种消球差的复合透镜.§ 4 .光学仪器首先应让学生了解，所谓光学仪器是由单个光学器件（ 透镜、面镜），或是几个光学器件组合构成的. 在光学教学中学习光学仪器的主要目的是巩固和应用透镜、平面镜成像规律，通过各种光学仪器的光路分析来了解它们的工作原理. 当然，也起着理论联系实际、扩大学生眼界的作用.其次，要让学生了解，光学仪器主要有两大类：i类是成实像的光学仪器,如幻灯机、照相机、电影放映机等. 这类光学仪器的特点是成的像为实像，可以用屏幕接收下来；第二类是成虚像的光学仪器，如放大镜、望远镜、显微镜等，这类仪器又称为助视光学仪器，主要目的是扩大视角. 所谓视角是指由眼睛的光心向被观察物体两端所引直线之间的夹角. 因为视角过小，眼睛就不能分辨所观察的物体. 教师可以在黑板上画一个等号“ = "，如果两个横线之间的距离很小，那么，后排的同学看到的是一个减号.学生观察到这个现象后,自然就会提出问题，渴望得到解答. 原来，这是由于距离很远，这个等号对眼睛的光心的视角很小，它们通过眼睛的晶状体在视网膜上成的像很小，落在了同一个感光细胞上的缘故.为了清晰地观察细小的物体或远处的物体，必须借助于助视光学仪器，以提高眼睛的视角.至于各种具体的光学仪器，可以让学生对照实物，观察效果，进而解释原理，绘出光路图. 教师无须对每一种仪器都详加讲解.最后，还应使学生明确，助视光学仪器的放大率，按透镜成像的原理，可以无限地增大. 然而，事实上是不可能的. 例如，透镜焦距越小，其放大率就可以越大. 但是，由于焦距太小的透镜，制造起来是困难的，即使能够制造出来，它的口径一定很小，当小到跟光波波长相差不多时，衍射现象就非常明显,从而也不能观察到细小物体清晰的像.。