物理课堂中的科学方法教育.ppt

物理课程中的科学方法教育,wuliketangzhongdekexuefangfajiaoyu,物理课程中的科学方法教育,一、物理科学方法概述1、物理科学方法的概念2、科学方法教育的内涵3、科学方法教育的意义4、物理科学方法存在的基本形式5、物理科学方法因素判定原理二、常用物理科学方法简介 1、设疑提问法 2、观察方法 3、实验方法 4、数学方法 5、比较与分类方法 6、分析与综合方法 7、归纳与演绎法 8、理想化方法 9、类比方法 10、物理假说及其检验 11、科学想像三、教材中的科学方法因素分析1、知识结构分析法2、教学逻辑程序分析法3、知识类型归类分析法1)建立物理概念的方法2)总结物理规律的方法3)物理实验中的科学方法思想,一、物理科学方法概述,科学史家朱克曼曾走访过41名诺贝尔奖获得者，发现他们的两项能力“科学鉴赏力”和“高超能力”最主要的是得益于“从名师那里学到一种发现科学真理的思想方法和工作方法”，而不是“从导师那儿获得实际知识”。科学大师们正是以其“第一流研究方法”和“工作质量”来引导、训练和教育其弟子成为英才的。如卢瑟福（提出原子模型）一人就培养出11名诺贝尔物理奖获得者；卡文迪许实验室培养了17名诺贝尔得主。物理学家玻恩曾说：“我荣获1954年的诺贝尔奖，与其说是因为我所发表的工作里包括了一个自然现象的发现，倒不如说是因为那里面包括一个关于自然现象的新思想方法基础的发现。”爱因斯坦在介绍自己取得科学成功的秘诀时，总结了一个公式：A（成功）X（艰苦的劳动）Y（正确的方法）Z（少说废话）,一、物理科学方法概述,1、物理科学方法的概念一部物理学的发展史也就是一部物理科学方法的演化史。物理科学方法总是与物理学的研究相伴而生。知识是在一定方法上形成的，而一定的方法又是知识发展的产物。知识与方法是始终紧密地结合在一起的。学习物理知识，一定要学习物理科学方法。研究物理现象、描述物理现象、实施物理实验、总结物理规律、检验物理规律时所用的各种手段与方法。,一、物理科学方法概述,2、物理科学方法教育的内涵物理科学方法教育是一个综合的课题,它主要包括三个方面：弘扬科学精神：怀疑精神、求真精神、创新精神，人文精神、实践精神树立科学态度：严谨的态度、实事求事的态度掌握科学科学方法三者的关系：科学方法是主体科学家的科学方法反映了科学家的科学思想和科学态度视频,一、物理科学方法概述,3、物理科学方法教育的意义物理课程目标指导解题跳出题海（方法学是聪明学）,一、截然不同的几个物理习题,例1.一辆卡车与小汽车在同一公路上同向行驶，卡车在小汽车前方S0=1000m处，卡车的速度v1=15m/s，小汽车的速度v2=25m/s，经过多长时间小汽车可以追上卡车？例2.有一个铜、金合金块，总质量为185.5g，总体积为15cm3，则合金块中金、铜各多少g？（铜=8.9103 kg/m3;金=19.3103 kg/m3）例3一个质量为m=270g的铝球，其体积为V=135cm3.通过计算说明这个铝球是空心的还是实心的？如果是空心的，中空部分的体积是多少？铝=2.7103 kg/m3,不太相同的几个数学题,例4.购买二种单价为2元和5元的图书85本,共用200元,问各卖多少本?例5.要求2天完成种树240棵,甲班每天能种50棵,那么乙班必须每天种多少棵树才能一起完成任务?例6今有鸡兔同笼，共有头，足，问鸡兔各多少？,异中求同 进行比较,归纳:可以归为鸡兔同笼的问题.,共同特点:二组有联系的二个量,组成的问题这些问题看上去,是不同的,实际上分析一下,有它们的共同点,都可以归为鸡兔同笼的问题.,鸡兔同笼 1,今有鸡兔同笼，共有头，足，问鸡兔各多少？,1.代数列方程解法:设鸡兔个为x、y只,则可列方程:x+y=20 2x+4y=76 解之得 x=2,y=18,鸡兔同笼 理想实验 2,2.用理想实验法解:我们设想所有的兔同时抬起前面的两足，直立了起来（理想的），这时鸡兔共有只足？（）抬起的足共有只？（）（谁的足？），就是兔子的个数。鸡数：一般公式：兔数（总足数头数）鸡数总头数兔数其实以上过程,不要写出,只要一面想,一面心算即可 依此类推去解例1,例2.,今有鸡兔同笼，共有头20，足76，问鸡兔各多少？,二、理想实验法 解物理习题1,例1.一辆卡车与小汽车在同一公路上同向行驶，卡车在小汽车前方S0=1000m处，卡车的速度v1=15m/s，小汽车的速度v2=25m/s，经过多长时间小汽车可以追上卡车？,列方程 t相同 v2tv1t=S0 v2t=v1t+S0（v2 v1）t=S0 其实，这里的速度差，就是相对于参照物的速度,二、理想实验法 解物理习题1,例1.一辆卡车与小汽车在同一公路上同向行驶，卡车在小汽车前方S0=1000m处，卡车的速度v1=15m/s，小汽车的速度v2=25m/s，经过多长时间小汽车可以追上卡车？,巧选参照物V21=25m/s15m/s=10m/st=S0/V21=1000m/10m/s=100s理想实验:假设:货车不动了(理想的),让小汽车追货车,之所以能追上,是因为有车速之差所以二个车速之差 是此理想追车的关键t=S0/V21=1000m/10m/s=100s,二、理想实验法 解物理习题2,例2 有一个铜、金合金块，总质量为185.5g，总体积为15cm3，则合金块中金、铜各多少g？铜=8.9103 kg/m3 金=19.3103 kg/m3,解法1：理想实验:如果15cm3都是金(理想的)，则m金=19.3gcm-315cm3=289.5g那么比合金质量多289.5g-185.5g=104g注意，我们把铜也当成了金，所以这104g就是铜的体积每cm3金比铜多的质量即104g=V铜10.4gcm-3V铜=10cm3；其他即可求,二、理想实验法 解物理习题2,例2 有一个铜、金合金块，总质量为185.5g，总体积为15cm3，则合金块中金、铜各多少g？铜=8.9103 kg/m3 金=19.3103 kg/m3,解法2理想实验:如果15cm3都是铜(理想的)，则m铜=8.9gcm-315cm3=133.5g那么比合金质量少185.5g-133.5g=52g注意，我们把金也当成了铜，所以这52g就是金的体积每cm3铜比金少的质量即52g=V金10.4gcm-3V金=5cm3；其他即可求,二、理想实验法 解物理习题3,例3 一个质量为m=270g的铝球，其体积为V=135cm3.通过计算说明这个铝球是空心的还是实心的？如果是空心的，中空部分的体积是多少？铝=2.7103 kg/m3,解法一 理想实验 假设是实心的 270g铝的体积应为 V=270g/2.7gcm-3=100cm3 现在体积为V=135cm3 说明:V空=135cm3100cm3=35cm3 是空的,二、理想实验法 解物理习题3,例3 一个质量为m=270g的铝球，其体积为V=135cm3.通过计算说明这个铝球是空心的还是实心的？如果是空心的，中空部分的体积是多少？铝=2.7103 kg/m3,解法二理想实验:假设球是实心的，或者说制作一个135cm3的实心铝球，需要铝的质量为多少？m=2.7gcm-3135cm3=364.5g题目给的铝球质量为270g，比实心铝球少了364.5g 270g=94.5g这94.5g铝的体积为 V=94.5g/2.7gcm-3=35cm3,一、物理科学方法概述,4、物理科学方法存在的基本形式 在总结大量事实的基础上，我们发现在以下三种情况下，一定有方法存在，或者说方法的存在有以下三种形式。1）对于同一事物来说，沿着纵向或横向发展过程中的转折过渡处一定存在着方法案例一：为了研究物体运动快慢程度，在匀速运动中，我们利用速度描述，而在变速运动中“速度”已经不能准确的描述物体运动快慢了，此时利用“平均速度”表示。从“速度”过渡到“平均速度”，用了近似的方法。到了高中物理学中，则可以用极限的方法来定义即时速度，更能准确地反映物体运动的快慢。在速度概念的这几次发展中应用了近似、极限、微分等方法。案例二：牛顿第二定律的得出，首先是从物体受到一个力时的加速度与力、质量的关系，再扩展到受到几个力的作用时的情况，从而总结出牛二定律的内容。这里用了等效的方法加以过渡与连结。再如从部分电路欧姆定律出发到研究全电路欧姆定律时，用到实验归纳与理论演绎相结合的方法。,一、科学方法概述,2）不同事物之间（包括人与事物之间）建立联系或者发生关系时，一定存在方法案例：使闭合回路的一部分导体在磁场中作切割 磁感线运动，或者使闭合回路的磁通量发生变化，运用上述实验的方法都可以使磁与电这两种事物建立起联系。牛顿第二定律推导出动量定理，用的就是数学推导的方法，将动力学关系式与运动学关系式结合，建立了力的冲量与动量之间的关系。,一、物理科学方法概述,3）理论用于实践解决实际问题时，理论本身就具有了方法的意义。案例：研究一个物体从光滑斜面的顶端下滑到底部所具有的速度时，可用机械能守恒定律，或者用牛顿第二定律与运动学公式相结合来求解，此时机械能守恒定律和牛顿第二定律等理论，实际上就成了解题方法了。知道了方法存在的基本形式，对于确定教材中的科学方法因素、学习物理科学的应用很有帮助。,一、物理科学方法概述,5、物理科学方法因素判定原理在教学过程中开展物理科学方法教育，必须结合教材进行。但是，教材一般是以知识的内在联系为线索而展开的，不会或很少提起所应用的方法。因此，就需要我们分析、挖掘出教材中的科学方法因素，这样才有可能结合教材再进行科学方法教育。,我们都是用教材进行教学，可是在教材里，并没有明显的标出哪里有科学方法，该怎么办？,好问题！让我们一起来探讨，如何分析、挖掘教材中的科学方法因素？,命题：在物理学知识点的建立、引申和扩展中，知识点以及知识点与知识点之间的连结处（我们把它叫作“键”），一定存在物理科学方法因素。,通过研究和实践，张宪魁教授总结了一个寻找物理科学方法因素的方法,并于1990年把它命名为物理学方法论因素判定原理,发表在教学月刊1990年第10期。,张宪魁教授,方法 从实践或理论上研究物理学所采用的一切操作和手段，都称之为方法。,首先，让我们来明确几个名词,物理科学方法因素 指教材中研究物理学所应用的各种基本方法。,非常规方法直觉、猜想、灵感等。,这里主要是指每个具体的物理概念（包括物理量）、物理规律（包括原理、定律、定理、公式、法则、定则等）、物理实验、物理应用（如习题）等四类。,知识点 即中学物理教材中遇到的知识。,知识点的建立 指概念的引入与定义，规律的总结与表述，实验的原理与设计构思，以及物理学理论体系的确定等。,知识点的引申 指知识向纵深发展。,知识点的扩展 指知识本身沿横向展开。,我们把它称作为“键”，就如同人身上骨骼之间连接处的肌键一样。,知识点的连结处 指知识点的建立与发展过程中，沿横向或纵向由一个知识点发展到另一个知识点的过渡处。,我不太理解，物理学的知识点如电流、电压等概念，及欧姆定律等规律，它们是客观存在的，本身并无方法可言的呀？,当我们引入这些概念并加以定义时，或者在探索总结规律时，必须由人们借助一定的工具（如实验仪器）、一定的手段(包括人的思维等)，通过一定的操作去观察、去发现，这就体现为方法了。,这就好象画家以他掌握的画法技巧，利用画笔描绘出各式各样题材的画卷。,这就好象木工师傅利用各种工具，根据一定的数据（图纸），把木材做成桌椅板凳一样。,提、拉、推、压等现象,本质归结为物体与物体之间的相互作用,引入“力”的概念,此处，归纳概括就是方法。,通过实验总结规律时，实验就是方法。,知识点的引申或扩展也要运用一些方法,我们利用实验的方法研究电磁感应，那么，电磁感应的实质又是什么？,我知道！能量的转换！,这里能量的转换就是研究问题的手段与方法。而且在以后的许多问题中都可以应用此种方法。,另外，当我们运用知识解决实际问题时，知识本身也就具有方法论意义,此时密度知识就具有方法的意义了。,空心？还是实心？,用密度的知识就可以判断！,再如,此时右手定则就是研究问题的方法了,用右手定则！,如何判断感生电流的方向？,有了上述命题，当我们分析教材时，只要找出教材中所涉及的知识点（概念、规律、实验、应用、习题等）以及从一个知识点沿纵向或横向到另一个知识点的过渡处，我们就可以找出科学方法因素。也就是说，物理科学方法因素判定原理给我们一把分析教材中分析方法论因素的钥匙。,二、常用物理科学方法简介,、观察方法观察是最基本、最古老、最直接的科学方法，也是当今严密的科学研究中最常用的方法之一，从某种意义上说，没有观察就没有科学研究。要在科学研究可有所发现，有所创造，必须掌握观察的方法。科学观察的特点：1）科学观察总是与一定的研究课题相联系，为解决一定的科学问题而进行的。也即它有明确的观察目的、观察任务和观察对象，并采用一定的观察方法。2）科学观察有明确的理论作指导，以便全面观测和把握对象的各种属性。在经典物理学中，一般是通过科学观察和实验，对所获得的资料进行归纳整理加工，从而总结出物理规律和物理理论。而在现代物理学中，更多的是运用科学观察去检验某一假说、预言及理论的正确与否。科学观察发展中的一个显著特点是理论对观察的指导作用越来越强，可以说，现代物理学中的科学观察是离不开理论指导的。,二、常用物理科学方法介绍,3）科学观察要综合运用各种感官的作用，要有思维的积极参与科学观察不仅要通过眼睛看，而且要综合运用听觉、触觉、嗅觉、味觉等感觉器官；更重要的是，要有思维的积极参与，进行一定的分析、综合、比较、分类、判断和推理。没有思维的观察是无法进行也是不存在的。4）科学观察需要准确而周密地观察记录要用规定的术语、约定的符号。标准的计量单位并借助绘图。摄影。微机等手段，把观察结果详细地记录下业，作为分析整理的原始资料。5）科学观察要借助地先进的科学仪器，采用先进的观察技术来进行从观察方法的历史发展中可以看出，古代观察主要是纯感官的观察。随着科学技术的不断发展，人们逐步采用观察工具来辅助进行观察。在现代物理学中，科学观察已离不开一定的观察工具，例如，借助于天文望远镜及遥感等先进、精密的科学观察仪器和技术，使科学观察的广度、精度、深度都大大提高，为现代物理学的研究提供了珍贵的资料。,二、常用的物理科学方法介绍,2、实验方法按研究问题的质与量划分：定性实验、定量实验.定性实验是用以判定某因素是否存在，某些因素之间是否有关系的实验。如惯性实验、热传导实验。液体的沸腾、气体的扩散、小孔成像、光的直线传播和电流的等都属于定性实验。当然，定性实验并非绝对不研究定量问题，实质上某种实验现象的从无到有，本身就有量的意义。定量实验用以测量某对象的数值，求出某些因素之间的数量关系，或者用数量关系去表明某些规律的实验。如长度、质量、密度等物理量的测量；研究电流强度与电阻、电压的定量关系，研究加速度与力、质量之间关系的实验才都属于定量实验。,按实验的直接目的分：探索性实验、验证性实验和判决性实验探索性实验：是指人们从事开创性的研究工作时，为了探寻自然事物或现象的性质以及规律所进行的实践活动。其特点是实验前人们对研究对象不了解。验证性实验：是根据已知的理论和实验，对一些物理现象的存在、原因或规律推测、提出假说或形成新的理论时，为了检验它们正确与否而设计的实验叫做验证性实验。中学物理教材中的实验大多数是验证性实验。判决性实验：人们为了验证科学假说，理论或设计方案的正确与否而设计的予发最后判决的实验。,按实验的手段分：对比实验与模拟实验对比实验：是通过对照比较、分析研究的方法，达到异中求同或同中求异，以揭示所研究事物的某种性质或规律的实验。可采取横向对比或纵向对比。横向对比一般是把研究对象分为两个或两个以上组群，一个是对照组，作为比较的标准；另一个是实验组，通过某种实验步骤以便确定对实验组的影响。纵向对比 是时间前后的对比，即对同一组进行施加影响因素前和施加影响因素后的对比。如中学物理教学中，当研究密度、比热、电阻等表征物质特性的物理量时，采用对比实验是很有效的方法。模拟实验：物理学研究中，有时受客观条件的限制，不能对某些自然现象进行直接实验，这时就要人为地创造一定的条件或因素，在模拟的条件下进行实验。,二、常用的物理方法介绍,3、数学方法数学是专门研究量的科学,是人们从量的方面去认识客观事物的有效途径。物理学研究中的数学方法是解决和说明物理问题时采用的数学理论工具，它要求人们根据物理学研究对象质的特点，分别或综合地运用各个数学分支提供的概念、理论、方法和技巧，对对象进行结构、数量方面的描述、计算和推导、进而作出分析、判断，揭示物理对象的运动规律。数学方法的特点：一是抽象性抽象性是数学本身的特点所决定的。数学是一种研究思想事物（虽然它们是现实的摹写）的抽象的科学。数学方法就是运用这种抽象的思想来分析、考察和表述事物的量的关系和量变零规律的。数学概念及其理论的抽象性决定了数学抽象性。物理学研究中，根据研究的需要，人们往往抓住其主要性质，撇开具体内容，只保留其数量关系和空间形式，然后把复杂的物理问题抽象成数学符号之间的运算关系，对此进行分析研究，即可得出理想化的数学概念和定量描述事物的普遍规律。如牛二定律等物理规律一般都是用数学的形式表达的。二是精确性和逻辑性三是辨证性,二、常用的物理科学方法介绍,4、比较与分类方法比较是确定研究对象之间差异和共同点的思维过程和方法。比较的方法有同中求异法、异中求同法、同异综合的比较。分类是根据研究对象的共同点和差异点，将对象区分为不同种类的逻辑方法。,5、分析与综合方法（1）分析方法就是把研究对象分解为各个组成部分和要素，然后分别加以研究，从而提示事物的属性和本质的方法。分析是从现象向本质深入的过程。分析方法的类型：定性分析法：是为了确定研究对象是否具有某种性质时所采用的方法，主要是解决“有没有”，“是不是”的问题。定量分析法：是为了确定客观对象各种成分的数量的方法，主要解决“有多少”的问题。因果分析法：是为了确定引起某一现象变化原因的分析方法，主要解决“为什么”的问题。可逆分析法：即分析作为结果的某一现象是否反过来作为原因，从而产生本是原因的那一现象，这是一种逆向思维的方法。如电磁，磁电。,二、常用物理科学方法介绍,二、常用物理科学方法介绍,系统分析法：即把客观事物看作是发展变化的系统，从而进行的全面的动态分析的方法。如，为了研究某一力学系统的运动规律，往往采用系统分析，从时间、空间上一一进行研究。数学分析法（元抽象法，元过程分析法）：其特点是从某种物理现象中抽取任意一小部分进行研究，从而突出了由事物的部分去揭示整体规律的特点。例如，从一定质量分布的刚体内“分离出一个非常小的质量元，从流体内抽取一个非常小的体积元，从连续带电体中分割出一个很小的电荷元，从变化的物理过程抽出一个元过程等。然后分析这个小单元的特点，并描述它的各物理量间的相互关系和变化规律，进而建立描述整个物理系统的微分方程。由此求出物理系统在某一特定条件下的瞬时状态，继而把握整个物理的运动特点和趋势。,二、常用的物理科学方法介绍,（2）综合的方法就是把研究对象的各个部分、方面和因素联合起来加以研究，从而在整体上把握事物的本质和规律的思维的方法。,二、常用的物理科学方法介绍,6、归纳与演绎法归纳法：是从个别到一般的抽象概括以牛顿力学的建立为例：开普勒三定律揭示了太阳系的运动规律，伽利略的落体实验表明了重力加速度的存在，这些经验事实和事实为牛顿发现万有引力定律创造了归纳的前提。牛顿最初是借重力概念作为类比物，将其外推到所有的星体和物体从而形成引力概念的。通过类比，牛顿在抛射体的轨迹和行星轨道之间建立了开普勒和伽利略未能建立的联系，从而完成了综合归纳。但是，牛顿发表他的引力定律要比他对引力的首次研究晚了二十多年。但是，牛顿的困难并不是数据的验证（这一点他早在研究之初就借助微积分解决了），而是他未能想到地球对某点的吸引恰如其质量全部集中到中心点一样。一旦突破了这一点并建立起相应模型，万有引力的规律就立刻简明地呈现在他面前。演绎法：是从一般到个别的逻辑推理法。,二、常用的物理科学方法介绍,7、理想化方法 无论是探索物理现象，揭示物理过程的规律，还是解决实际物理问题，都需要建立理想模型或理想过程。理想化方法就是借助于逻辑思维和想像力，有意识地突出研究对象的主要条件，完全排除次要因素和无关因素干扰，在大脑中形成理想化的研究客体或相互联系，来探索物理世界内在奥妙的方法。它是一种科学抽象的方法。在物理学研究中，理想化方法一般有如下三种形式：对物理条件的理想化、建立理想模型、进行理想实验。,（1）对研究条件的理想化所研究的对象处于多种条件中，但对要研究的问题来说，并不是所有的条件都起同样重要的作用，而是只有一种或少数几种起作用，其余不起作用或作用甚微，抓住起主要作用的条件，完全忽略其它条件。这就是研究条件的理想化。案例：电子在电场中运动，当研究带电粒子间相互作用时，可以忽略万有引力，但当研究带电液滴在电场中运动时就不能忽略万有引力；卡诺热机忽略了热量散失，忽略了工质与热源相接触时的温度差，从而建立了理想化的循环过程，解决热机的最高效率问题；热学中计算热量交换时，总是忽略热量散失；力学教学中，当接触面光滑时，可以忽略摩擦力；自由落体运动中忽略阻力等。这些都是研究条件的理想化。,（2）理想模型：物理模型：在物理学研究中，物理学家建立物理模型是一种基本的、重要的方法。对物理模型，一般有广义的解释和狭义的解释从广义上讲，物理学中的各种基本概念、如物质、长度、时间、空间等都可以称为物理模型，因为它们都是以各自相应的原型（实体）为背景，加以抽象出来的最基本的物理概念。从狭义上讲，只有那些反映特定问题或特定具体事物的结构才叫做物理模型，如质点、刚体、理想气体等。可以分为两类：模拟式物理模型理想化物理模型（简称理想模型）,A模拟式物理模型：模拟概念规律或客观定律，使看不见，摸不着的客观事物具体化、形象化，或者用实物模型、图表、原理图，使现象、原理、实验直观化、系统化、规范化。如：电力线、磁感线、等势面、空间点阵、卢瑟福的原子格式结构、玻尔的原子模型，分子的模型。,B.理想化物理模型：是指在原型（物理实体、物理系统、物理过程）的基础上，经过科学抽象而建立起来的一种研究客体。它忽略了原型中的次要因素，集中突出了原型中起主导作用的因素，摒弃了次要矛盾，突出了主要矛盾。所以，理想模型是原型的简化和纯化，是原型的近似反映。一般把理想模型分为三种：理想化实体、理想化系统、理想化过程,理想化实体是建立在客观存在的基础上，根据所研究的问题的性质和需要，把自然界中客观存在的实体加以理想化。如质点、刚体、理想气体、理想液体、弹性体、单摆、杠杆、光滑平面、检验电荷、弹簧振子、无限长直导线、点光源、理想电源、平行光线、平面镜、薄透镜、纯电阻、纯电容、纯电感等。理想化系统是建立在客观存在的基础上，根据所研究的问题的性质和需要，把自然界中客观存在的有相互联系的物体系统加以理想化。如力学系统（遵循牛顿三定律的相互作用的物体），保守力系统（研究重力势能时，地球与物体的统称），热力学系统等。理想化过程是为了研究复杂问题，建立在物体运动变化过程的基础上，根据研究问题的性质和需要，在包含多种复杂因素的物理过程中，找出主要因素，略去次要因素，建立能够揭示事物本质的过程模型。如匀速直线运动、匀变速直线运动、匀速转动、匀速圆周运动、共振、光的直线传播、光的反向、光的折射等。,（3）理想实验：（也叫假想实验、思想实验或抽象实验）它是一种形象思维与抽象思维相互作用的思维过程，借助于逻辑推理，又辅助于形象变换，以真实实验为基础，以逻辑法则为依据，用思维来展开实验过程。它具有真实物理实验的一些特点，又不同于实际实验。所以理想实验是一种带有浓郁物理学色彩的逻辑推理，是人们在思想上塑造的理想过程。如牛一定律。,8、类比方法典型事例：20世纪初，卢瑟福及其助手为了探索原子结构的奥秘，曾经做了著名的a粒子散射实验。结果发现原子并不像汤姆逊所说的半径是1010米的实体球，而是由一个原子核和核外电子组成的。与整个原子相比，核的体积甚小，（约占十万分之一）但质量甚大，占99.97%，这同太阳系的情况十分相似：太阳作为太阳系的核心，具有太阳系总质量的99.87%，而在太阳系中所占体积甚小，而且当时已知，原子核与电子之间的作用力（遵从库仑定律）与太阳和行星之间的作用力的数学形式也很相似，都是与距离的平方成反比。于是，卢瑟福作出推理：既然太阳系是由处于核心的太阳和环绕它的一系列行星所构成的，那么原子也应如太阳系那样，也可能是由带正电荷的原子核和绕核运转的电子所构成的，这就是他们于1911年正式提出的原子结构的“太阳系模型”假说。,类比方法是一种由特殊到特殊或由一般到一般的推理，是根据两个（或两类）对象之间在某些方面的相同或相似，而推出它们在其他方面也可能相同或相似的推理方法。类比方法最早是由亚里士多德提出的，他把类比称为类推。物理教材中的类比：声现象与光现象的类比：直线传播、反射、折射、干涉的特性，声现象具有波动性，由此可推出：光也具有波动性，这一结论后来被实验和研究所证实；磁场概念的引入：教材首先列出电场与磁场的相似属性，然后进行一系列的类推。还有初中教材中将电压与水压作类比，引出了电压的概念。,9、物理假说 物理假说作为一种思维方式，不仅是物理学研究的初步成果，而且是研究工作的重要环节和基本方法，是物理学发展的重要形式。（1）假说的概念就是科学研究人员在观察和实验材料的基础上，根据科学原理和科学事实进行理性思维的加工以后，对未知的自然现象及其规律所作的假定性解释与说明。人类对物理世界的认识总是随着实践的发展由不知到已知，由片面到全面，由低级到高级，由现象到本质。在这一过程中，物理学家依据有限的事实和已知规律，运用归纳演绎、分析综合等思维方法，对未知领域的物理现象或过程所提出的某种理论观点。在没有经过实践（实验或观测）证明之前，都只能是一种带推测性的假说。在物理学的发展中，假说几乎出现在它的各个研究领域以及各个发展阶段，如哥白尼的日心说、康德拉普拉斯的星云假说、宇宙大爆炸说、黑洞假说等。近代物理学中关于原子结构的卢瑟福核式结构模型，玻尔的量子假说等，都曾经以假说的形式出现。,（2）假说的特征：在物理学研究中，假说因其形式、内容和层次的不同，常被分别称为：模型、模式、假定、推测、猜想、猜测等。假说一般具有以下几个特征：推测性：假说是具有一定猜测性的理论预制品，在未被证实以前只能是思维中的想像和对自然现象及其规律的推断、猜测。假说只有经过加工雕琢，才能达到理论研究的模型化；只在经过实践检验和证明，才能上升为理论。海王星的发现就是在假说的基础上进行的：天文学家根据万有引力定律计算了天王星的轨道发现理论与实测值不一致，并根据二者的差数，作出了上述现象源于一颗未被发现的行星对天王星进行摄动作用的推测性解释，并预言了未知行星的位置。后来在预言的位置上发现了行星并命名为海王星。在科学研究中，假说因受有限事实的局限，故不管其可靠程度如何，在未被事实证明发前都只能是一种想像和推测。,科学性：假说是在事实和知识的基础上建立的。它的提出不但要以一定的实验材料和经验事实为基础，而且要以科学知识为依据，并经过实践检验和逻辑证明，因此它必然具有一定的科学性和真实性。可变性：假说是一种尚待证明的东西，带有一定的想像、推测成分，具有或然性。在实践的检验下，它可能被证明是真理而变成理论，也可能被证明是谬误而淘汰，因而它必然具有很大的可变性。假说的这一特征，使我们在物理学的研究中可以对同一物理现象提出不同的假说，有时甚至是完全对立的假说。通过不同的假说之间的对峙和争论，形成一个变动更迭、新旧交替的局面，使假说得以发展。如在光的本性的争论中，微粒说和波动说各执一词后来终为爱因斯坦光量子假说所统一，给出了光具有波粒二象性的辩证图像。,总结：假说是以物理实验、观测的客观事实为基础，以科学理论为依据，根据研究工作的客观需要和可能而建立起来的。它不是物理学家头脑中的主观臆造，而是物理学家依据客观事实和科学理论进行辩证思维的产物。在中学物理中遇到的假说分子的电流假说，麦克斯韦的电磁波假说，牛顿的光微粒说，惠更斯的光波动说，爱因斯坦的光子说，汤姆逊的原子枣糕模型、卢瑟福的原子核式模型说、玻尔的原子量子轨道模型说等。,二、常用的物理科学方法介绍,10、科学想像 揭示事物的本质时，既要把握能被直接感知的经验材料，更要透过经验材料去把握那些难以直接感知的隐蔽基础和实质性内核，去设想和构思其内部过程，内部联系的图景，这就是通过科学想像。所以想像是一种创造性的思维形式和研究方法。正如廷德尔所说：“有了精确的实验和观测作为研究的依据，想像力便成为自然科学理论的设计师。”想像的概念：想像，是在头脑中改造记忆中的表象而创造新形象的过程，也是过去经验中已形成的那些暂时联系进行新的结合的过程。科学想像：与一般想像不同之处在于，它是利用科学知识所造成的表象来创造新形象的过程，是依据已有的知识和经验，发挥人的抽象、联想、猜测和幻想能力以及超脱客观条件的限制，去构思未知事物的形象、未知的变化过程和变化规律的创造性思维活动。因此，也有人把联想、猜测、幻想等统称为想像，想像是人类区别于动物的独有才能。,科学家认为想像力是从事物理研究的极重要的能力，甚至看得比知识还重要。爱因斯坦指出：“想像比知识更重要，因为知识是有限的，而想像力概括着世界上的一切，严格地说，想象力是科学研究中的实在因素。”科学想像是其他方法的基础或前提。类比作为一种思维，其重要的前提是通过想像为原型找出适当的模型。科学家发现问题也得倚重想像，英国物理学家伯纳尔说：“发现问题比解决问题不知困难多少。前者需要想像，而后者只凭本领。”理想模型的建立以及理想化方法的应用也要以想像为基础。假说在本质上是新思想的体现，现代物理学的高度抽象性要求物理学家发挥超人的想像力，以提出新的思想和假说。理想实验最明显地体现了对想像的依赖，它是把实验在理想情况下的对象、条件和步骤转化为观念形态在人脑中进行想像的过程。观察与真实实验同样离不开想像，任何真实实验之前都要进行设计即对实验的步骤、条件、可能发生的问题和结果进行设想等等。,三、教材中的科学方法因素分析,根据科学方法的基本概念、方法存在的基本形式以及物理科学方法因素判定原理，我们总结出三种分析教材中科学方法因素的方法。1、知识结构分析法是在分析一节（或一单元）教材的知识结构、内在联系、画出知识结构图示的基础上，针对知识的内在联系（体现在知识点的连接处）分析其中的方法论因素。步骤如下：一是找出该单元教材中的知识点（概念、规律、实验、习题等），并用方框把每个知识点分别框起来。二是按知识点的内在联系及扩展、引申的线索，用箭头把各方框（知识点）连接起来，构成该单元教材的知识结构。三是分析箭头处所存在的方法论因素。,三、教材中的科学方法因素分析,2、教学逻辑程序分析法就是依据某一节或某一单元教材所提供的传授知识的逻辑程序，或者老师自己设计的教学逻辑程序，把它分为明显的若干步骤。因为程序之间反映了知识的纵向联系，是知识逐渐引申的过程，再根据物理科学方法因素判定原理，即可分析对应每两步之间存在的方法论因素下面是初中内容“比热”一节中的比热概念的逻辑程序,三、教材中的科学方法因素分析,3、知识类型归类分析法所谓知识类型的归类法，就是从物理学科本身的体系结构出发，把物理教材按其内容的侧重点不同，宏观分为四大类：讲授概念为主的概念教学；研究物理规律为主的规律教学；实验为主的实验教学；解决问题为主的应用教学，详细分析每一种知识类型一般具有的科学方法因素。,定义物理概念的方法物理概念是客观事物的物理本质属性在人们头脑中的反映，是人们进行物理思维的基础。物理学的原理、定理、定律或规律，都是用有关的物理概念总结出来的，物理概念是在大量观察、实验基础上，运用逻辑思维的方法，把事物本质的、共同的特征集中起来加以概括而形成的。如何使学生形成、理解和掌握物理概念，进而掌握规律，并使他们的认识能力在这个过程中得到发展，是中学物理教学中的核心问题。,（1）定义物理概念的方法：操作定义法：当我们给一个物理量规定了一套测量程序，并给它规定一种标准单位，我们就说定义了该物理量。如某一物体的“长度”的定义。人为规定法：1 2是在经验事实或观察实验的基础上，人们根据需要确定概念的方法。这种确定要符合实际，要能自洽于某一理论体系，同时要尽量简单，在可能的条件下还要照顾人们的习惯。如机械运动、参照物、入射角等实际都是人为规定的。数学定义法（一般都是物理量）数学推导：根据已知的概念、规律，借助于数学推导而定义的概念。比值定义法：速度的定义，密度、比热、电场强度等多因子乘积定义：如功、电功等概念的定义。,（2）总结物理规律的方法物理规律是一类物理现象及物理过程本质的、内在的联系在人们头脑中的反映，然后借助语言文字及数学公式描述出来。物理规律包括：定律、定理、方程和法则等。物理定律大多是在大量观察和实验基础上归纳总结出来的，而后又进一步经过实践检验而确立的。如帕斯卡定律、阿基米德定律、欧姆定律等。物理定理是根据一些定律或理论运用数学方法推导出来的，如动能定理、动量定理等。它们的正确性，取决于所根据的定律或理论正确与否，以及所依据的数学推导过程的准确性。最后，它们还要经过实践来检验。原理、方程和法则还有些物理规律，大家公认具有普遍性，而且可以作为其他规律的基础。这些规律常以原理、方程或方程组来命名，如功能原理、光路可逆原理、热平衡方程等，它们无法再用别的规律去证明。,有一些内容并不属于物理学理论体系中的基本规律，但仍可作为物理规律来看待，如二力平衡条件、物体浮沉条件、光的直线传播、平面镜成像特点、晶体熔解与凝固的特点及安培定则、左手定则、右手定则等。在有些情况下，物理定律与物理定理的界限并不明显某些以实验为基础、概括实验数据所得的实验，如阿基米德定律、帕斯卡定律也可以根据某些物理理论用数学工具推导出来，因此，把这些定律看成是物理定理也未尝不可。有些规律，如万有引力定律，并不是从实践总结出来的，而是通过数学推导出来的，由于它的普遍性及重要性，我们也把它们叫做定律。,总结物理规律常用的方法：一是实验归纳法二是逻辑推理法：在已有的定律的基础上结合一些概念，运用数学知识推证而得出结论的方法。用逻辑推理法证得的结论正确与否，还需要用实验加以验证。有些定量描述的规律，限于实验条件，不易做出精确的演示实验，因此可采用定性演示结合理论推导的方法而得出。如电学中的焦耳定律即是如此处理。先通过实验得出电流产生的热量与电阻、电流强度、通电时间的定性关系，然后根据能量转换与守恒定律，功能关系、欧姆定律等可得出焦耳定律的数学表达。三是理想实验法：如牛顿第一定律、理想气体状态方程等。四是图像法：用实验和观察的方法画出二变量之间的变化图像，然后从图像找出规律；或者与已知的数学关系式的图像对比，得出定量的函数关系。如物态变化中用利用图像的方法来研究萘的熔解和凝固的过程中温度随时间变化的规律。如用磁感线研究磁场、几何作图法研究光具规律等。五是假说的方法：分子运动论假说。,（3）物理实验中的科学方法思想主要包括三方面：一是设计实验的基本组成部分（实验对象。实验源、实验效果显示器）二是实验效果显示器的设计方法：比较法，转换法、放大法等三是实验结果的分析方法：定性的因素分析、定量的数学分析。视频,谢谢！,