①弄清概念的引入依据物理概念是一类物理现象的共同特征和本质属性在人脑中概括和抽象的反映。所以,物理概念并不是自然界本来就有的事物,而是为了研究的方便而引出的。物理概念存在的根本原因是因为这个概念是有用的。例如,在学习了功之后,尽管我们可以计算出物体做功的多少,却不能表示出物体做功的多少。这时,就需要引入“功率”的概念。另外,在很多情况下,物体单位面积上所承受的压力的大小比该物体所承受的总压力的大小更有意义,所以就引入了压强的概念……正是因为物理概念因其有用而产生,所以,当学习物理概念时,在感知物理现象之后,一定要弄清概念的引入依据,从而为我们深刻地理解物理概念奠定良好的心理基础。
②对物理定义要作准确的理解物理概念,尤其是物理基础概念来之不易,往往是几千年人类智慧和科学认识的结晶。
正是由于物理概念特别是基本概念的形成经历了长期的过程,经历了历史的考验,是经过人们的思维活动精雕细刻的结果,所以,物理概念往往都非常精练,我们在理解这些概念的时候也必须咬文嚼字。例如,物理课本中力的定义是:“力是物体对物体的作用。”定义中“物体对物体”说明:第一,没有物体就不存在力。第二,力的作用产生在两个物体之间,一个物体是施力物体,一个是受力物体。第三,由于在定义中并没有说明哪一个是施力物体,哪一个是受力物体,所以,定义中包含了力的作用是相互的这层含义。对物理定义进行咬文嚼字式的理解,的确有助于我们全面、深刻地理解物理概念的含义。
③避免日常的生活概念的干扰。
在日常生活的过程中,人们也会形成一些生活概念。这些生活概念往往与个人的生活经验相联系,含义比较模糊,在表达上常常有一词多义的现象。但这些概念并不能算错误,因为在具体的情景下,人们能够理解它的含义。例如惯性的概念,在生活中,惯性容易和“习惯”
联系起来。同样的人,惯常的行为越明显,习惯就越强,这种行为的改变就越困难。这种习惯的含义会不知不觉地影响我们对惯性的理解。如,我们常常说,静止的物体没有惯性,物体运动了才有惯性,运动的速度越大,惯性越大。再如,汽车转弯时,乘客会向一边倾倒,其原因是什么呢?不少人肯定会说,是由于离心力的作用。像惯性、离心力这样的概念,人们在日常生活中常常用到,并且绝对不会引起人们的误解。但是,我们学习了物理学以后就知道,物理学中的惯性是任何物体都具有的性质,其大小仅仅与物体的质量有关。质量越大,惯性越大,其运动状态的改变就越难。惯性可以在运动或静止的一切状态中表现出来。而离心力的概念,在物理学中就不存在。因为,力是物体对物体的作用,而所谓的离心力,是根本找不到施力物体的。由此看来,日常概念和科学的物理概念是有区别的。我们必须努力排除日常概念的干扰,逐步建立起科学的物理概念体系。
④通过对比区分相关的物理概念物理学中有一些概念名词相似,或者意义相似,如压力和压强,热能和热量;有一些概念意义相近,而且概念间有经常性的联系,如压力和重力,温度和热量,平衡力和作用力与反作用力;还有一些概念之间存在着逻辑的上下级关系或者其他关系,如力和重力。用对比的方法区别这些概念,有助于消除概念间的模糊、混乱与张冠李戴,深刻把握这些近似概念的本质含义以及概念之间的关系。
例如,重力、压力、拉力、支持力、摩擦力、弹力都是力的下级概念。通过对比可以知道,压力、拉力、支持力都是弹力,而重力和摩擦力就不是弹力。而只有通过这种对比,我们才能轻松地把握这一系列概念的相互关系,形成概念之间相互联系的网络结构。
深入理解和掌握物理规律物理规律是一类物理现象及物理过程本质的、必然的联系。物理规律包括定律、定理、方程和法则等,如牛顿三定律、动能定理、理想气体状态方程、左手定则、右手定则等都是物理规律。物理规律的学习方法包括以下几个方面。
①准确把握规律叙述的内涵物理规律在表达方式上往往非常精练,但物理规律往往有很丰富的内涵。准确地理解物理规律,必须注意准确把握物理规律叙述中的丰富内涵。
例如楞次定律:“感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化”。对该规律的理解应抓住以下几个方面。
首先,是“阻碍”二字,感应电流的磁场只能是“阻碍”引起感应电流的磁通量的变化,而不是“阻止”。若原磁通量增加,则感应电流磁场方向与原磁场方向相反,使磁通量慢慢增加,若原磁通量减少,则感应电流磁场方向与原磁场方向相同,使磁通量慢慢减少,但不可能阻止磁通量的增加和减小。
其次,阻碍的是引起感应电流的磁通量的“变化”,特别要注意“变化”二字,这里感应电流的磁场阻碍的是引起感应电流的磁通量的变化,而不是阻碍原磁通量。如果原磁通量不变化根本就不可能有感应电流,也就谈不上阻碍原磁通量。
第三,从定义中可以看出三个物理量之间的具体关系:电流强度跟电阻成反比,跟电压成正比。就是电压和电阻决定了电流,同时它们之间在数量上存在着正比、反比关系。
②把握规律以及规则变形的物理意义当我们遇到用公式来表达的物理规律时,必须理解该物理公式的物理意义。应该理解公式依托着怎样的物理事物(模型),弄清公式中各个字母的含义,以及公式如何表示物理事物之间的关系。
例如,弹性定律:“在弹性限度内,弹簧的伸长与弹簧所受到的拉力成正比,跟弹性系数成反比。”其数学表达式为:y=kx。对于这个公式我们应该这样理解:首先,这个公式反映了弹簧的伸长、拉力的大小、弹性系数三者之间的关系;其次,公式中的y表示的是弹簧的伸长,x表示的是拉力的大小,k表示的是弹性系数。公式描述了三个物理量的如下关系:
拉力是引起弹簧伸长的原因,弹簧的伸长是拉力作用于弹簧的结果;弹簧伸长的长度是由拉力的大小和弹性系数共同决定的,弹性系数不是由弹簧的伸长以及拉力的大小决定的,在弹性限度内,拉力越大,伸长越长(正比关系),弹性系数越大,伸长越短(反比关系);弹性系数是由弹簧本身的性质决定的,对于同一个弹簧来说,弹性系数是一个恒定的量;我们可以利用三个物理量之间的数学计算关系,根据弹力的大小和弹簧的伸长值测定弹簧的弹性系数。
③准确把握物理规律的适用范围物理规律总是在一定的条件下认识总结出来的,它带有条件性,因而是相对的。无论是对规律进行理解还是去运用物理规律,都必须注意物理规律的使用范围。
对于物理规律的适用范围的考察,要注意如下三种情况。情况之一是,有些物理规律本身已经明确说明规律的适用范围。如帕斯卡定律已指明其压强是加在“密闭液体”上的压强,电阻定律的成立条件是“在温度不变时”,透镜成像规律的成立条件是“薄透镜”。在这些条件下,物理规律的使用范围最容易把握。情况之二是,有些条件是在发现物理规律时不知道的,或者是在我们学习引进规律时没有考虑的。例如欧姆定律是在金属导电的基础上总结出来的,对于其他导体是否适用还要经过实验研究。情况之三是,严格说来,某种物理条件下并不适合运用某个物理定律,但是,在实际的操作上运用这个定律也可以获得近似的效果,在该条件下可以运用这个定律。
可以把地球和月球看作是质点,运用这个定律来计算地球和月球的万有引力。其他的,如把在空气中由静止开始下落的物体的运动看作自由落体运动,也是一种近似的方法。
所以,我们应该把握物理规律在什么样的近似条件下可以运用。这样,可以使实际物理问题的解决大大简化,并培养我们思维的灵活性。
④掌握规律之间的联系物理规律是通过描述物理概念之间的关系来解释自然现象的。以物理概念为中介环节,相同或者相关领域的物理规律就可以形成相互联系的网络。物理知识的这种系统性使得相关的物理规律具有相互验证的性质,一般的物理规律可以用最基本的物理理论、物理规律推导出来,或者给予解释和说明。物理规律之间不会出现相互矛盾。
例如:我们要求一个物体落地时的速度,我们可以用运动学公式来求,也可以根据机械能量守恒来求,最后我们将会得出相同的结果。再如在证明闭合电路的一部分导体切割磁感线产生的感应电动势E=BLυ时,我们可以利用法拉第电磁感应定律证明,也可以利用能量守恒来证明。
物理规律之间的相互联系给了我们这样的启示:当我们学习新规律后,要注意它与原有知识的联系,使新知识成为知识系统的一部分,加深对知识的理解。规律的相互联系还为我们提供了下面的可能性,即当我们面临某一个物理情景时,可以由运用某一规律转而运用另一规律。并且可能正是因为我们转换了一个视角,原来不能解决或者解决起来很麻烦的问题,就变得容易解决了。
掌握物理思维技能的学习方法物理学中的思维技能,是我们学好物理的一个重要的前提条件。这一前提条件要求同学们针对物理学本身的特点,学习物理学中的一些特殊的思维方式。这些思维方式主要包括下列几个方面:
①分析综合法分析和综合是抽象思维的两种基本方法。分析就是把事物、现象、概念等划分成简单的部分,找出其本质属性或因素;综合即把各自独立而相互联系的事物或现象进行归纳整理,从而对这一物理现象或物理过程获得全面、完整的认识;分析综合法是自然科学中通常采用的基本逻辑思维方法,物理学习的过程当然不例外。
分析综合法的第一个主要过程是分析。物理学上的分析包括物理量的分析、物理对象的分析和物理过程的分析。
分析与综合是相互联系的,不应将两者截然分开。很多情况下,可以对研究对象先隔离分析再综合,或先综合后再隔离分析。对一个物理对象或物理过程是否分析,怎样分析,往往是通过综合、全面的考虑后作出的。
例如,在静力学问题中,研究叠加体所受的地面的摩擦力,可将叠加体看成一个整体,而不对它们的相互作用力进行分析;在利用能量守恒解决问题时,单个物体机械能不守恒而整体机械能守恒,这时,就应按整体列机械能守恒方程。
所以,分析应该是综合的分析,在分析时应有全局观;而综合则应该是建立在分析的基础上的综合,要防止漏掉物理现象或过程的关键环节。
②理想化法理想化的方法在物理中应用非常广泛。它的具体方法是:进行分析,找出本质和进行理想化。理想化的方法包括物理条件理想化和建立物理模型。
物理条件理想化又称为理想化(思想)实验。
例如,17世纪之前,人们普遍认为力是维持物体运动的原因。伽利略通过对实例的观察,发现这种认识是错误的。为了弄清实际规律,伽利略设计了“斜面实验”,让小球从一个斜面上滚下来,接着又滚到另一个斜面上,如果斜面和小球表面都很光滑,小球就可以达到同第一个斜面几乎相同的高度。减小第二个斜面的倾角重复上述实验,小球仍要达到几乎同样的高度,但移动的路程更远了。若倾角减为零(水平放置),小球的移动距离非常远,随着斜面与小球之间的摩擦逐渐减小,这一距离就逐渐增大。于是,伽利略开始推论,如果没有摩擦力,小球在第二个斜面上能达到的高度等于第一个斜面上的初始高度,同理,如果没有摩擦,从第一个斜面上滚下来的小球,将在水平面上永远不减速地运动下去。伽利略就运用逻辑推理的思维方法,得到一个普遍的结论:力不是维持物体运动的原因,而是改变物体运动状态的原因,从而纠正了人们长期以来对力的错误认识。
这就是一个理想化实验。
在滑冰的时候我们可能有这种体会,就是冰面越光滑,我们以一定的初速度滑出去以后越难停顿下来。我们可以这样推测,如果冰面是绝对光滑的,那么我们就可以无限地滑下去了。
其实,在现实的条件下,绝对光滑的平面是不存在的,所以这种想法是严重地脱离现实的。这种实验只能是在观念中进行,所以又称为理想实验。由于理想实验的方法是物理学研究中的一种常用的方法,我们在学习物理时也应该自觉运用这种方法。
物理模型是运用理想化实验的方法建立起来的模型。如匀速直线运动、匀变速直线运动、透镜、简单机械、连通器等,都是把一些次要因素忽略而理想化形成的物理模型。这些物理模型使物理问题的研究过程大大简化,实际上也是对物理现实的一种近似处理的方法。
③等效法以效果相同或相当来研究问题的方法就叫等效的方法。
例如,在空气中把物体挂在弹簧秤上,弹簧秤上的示数就是该物体受到重力的大小。因为这时候,弹簧秤受到的物体的拉力等效于物体受到的地球的引力。如果把物体完全浸入到液体里,弹簧秤上指示的数便等效于物体受到的重力和浮力的合力。
再如,人们常说家用电器电源两端的电压是220伏,实际上并非电源两端的电压时时刻刻都是220伏,因为交流电的电压会周期性地波动,只是说电源两端的电压在效果上相当于给用电器两端通上220伏的直流电。
由于等效的方法为我们研究物理现象、解决物理问题提供了很大方便,因而我们在物理的学习过程中也应该学习这种方法。
④类推法由两类事物在某些方面特性相同或相似,推测出它们在另一些方面的特性也相同或相似的方法,叫类推法。由于物理现象之间,甚至相距甚远的物理现象之间都存在着不少相似之处,故在物理学中类推法也常常得到运用。在物理学习的过程中,我们可以运用此法帮助我们理解、掌握物理知识。
例如,水压和电压有类似之处;在串联以及并联电路中,电压以及电流强度与水流有诸多相似之处。正是由于重力和电场力具有相似性,因此它们之间可以进行类比。
通过类比,我们可以将非常抽象、难懂的知识变得形象直观,加深记忆和理解。