物理科學研究方法

初中物理科學研究方法

新課程提出的多維目標中，過程與方法是其中的一個重要緯度目標。巴甫洛夫也認為，認識一個科學家的方法遠比認識他的成果價值要大。因此我們不僅要讓學生掌握基本的物理概念和規(guī)律，了解物理學的知識體系，同時也要介紹物理方法，指導(dǎo)學生學運用正確的物理方法研究問題、分析問題、解決問題。

初中物理中用到的科學方法有許多，例如觀察法、實驗法、比較法、歸納法、分類法、類比法、等效法、轉(zhuǎn)換法、控制變量法、模型法、推理法、比值定義法、多因式乘積法、放大法、積累法、圖象法、圖表法、猜想法等。下面我們介紹其中一些常見的研究方法。物理學中研究問題的科學方法控制變量法理想實驗法模型研究法近似法轉(zhuǎn)換法等效法圖像法類比法比較法歸納法一、控制變量法

一個物理量可能要受到多個物理因素的影響和制約，那么在討論這個物理量與其中某個因素的關(guān)系時，需要先控制其它的另幾個因素不變，確定相關(guān)物理量之間的關(guān)系，這種方法叫控制變量法。書中實例:研究影響力的作用效果的因素研究滑動摩檫力與哪些因素有關(guān)

研究液體內(nèi)部的壓強

研究影響液體蒸發(fā)快慢的因素

研究物體吸熱與物質(zhì)種類、質(zhì)量、溫度的關(guān)系

研究影響電阻大小的因素

研究電流與電壓、電阻的關(guān)系

研究電功或電熱與哪些因素有關(guān)研究通電導(dǎo)體在磁場中的受力與哪些因素有關(guān)

研究影響感應(yīng)電流的方向因素研究動能（或重力勢能）與哪些因素有關(guān)

……研究滑動摩擦力大小跟哪些因素有關(guān)？F1=2N木板F2=3N木板F3=2.8N毛巾1研究壓力的作用效果跟哪些因素有關(guān)?甲乙丙2研究動能的大小跟哪些因素有關(guān)?3研究電阻的大小跟哪些因素有關(guān)?A4研究電流跟電壓、電阻的關(guān)系?VAR5研究電磁鐵的磁性的強弱跟哪些因素有關(guān)6研究電流產(chǎn)生的熱量跟哪些因素有關(guān)?＋－＋－7研究液體的壓強跟深度的關(guān)系8ABCDEFGH例1：探究決定電阻大小的因素分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論：（1）導(dǎo)體的電阻跟導(dǎo)體的材料有關(guān)；（2）導(dǎo)體的材料、橫截面積，都相同時，導(dǎo)體越長，電阻越大；（3）導(dǎo)體的材料、長度都相同時，導(dǎo)體的橫截面積越小，電阻越大；（4）導(dǎo)體被加熱后，它的溫度升高，電流表示數(shù)變小，表明導(dǎo)體的電阻變大，這說明導(dǎo)體的電阻還跟溫度有關(guān)，對大多數(shù)導(dǎo)體來說，溫度越高電阻越大。研究液體蒸發(fā)的快慢跟哪些因素有關(guān)？下列問題的研究也是利用了控制變量法嗎?研究電功的大小跟哪些因素有關(guān)?

例2：某校研究性學習小組在探究“液體蒸發(fā)的快慢與哪些因素有關(guān)”的過程中，根據(jù)生活經(jīng)驗提出了以下兩種猜想：

猜想一：液體蒸發(fā)的快慢可能和物質(zhì)的種類有關(guān)。

猜想二：液體蒸發(fā)的快慢和液體表面空氣流動的快慢有關(guān)。

針對猜想一，同學們設(shè)計的實驗及觀察到的現(xiàn)象如下：

在玻璃板上，同時用酒精和水涂一個同樣大的圓斑，觀察發(fā)現(xiàn)酒精圓斑先干了。

請你認真思考下列問題，并回答：

（1）同學們通過實驗得出的結(jié)論是：

（2）實驗中“涂同樣大的圓斑”其目的是：

（3）設(shè)計出研究猜想二的實驗方案：

蒸發(fā)的快慢與液體種類有關(guān)

控制變量，使之在相同的條件下進行比較在兩個表面積相同的同種液體條件下，比較不同空氣流動快慢時的蒸發(fā)情況

二、推理法（理想實驗法）有一些物理現(xiàn)象，由于受實驗條件限制，無法直接驗證，需要我們在通常的情況下進行實驗，然后進行合理的推想，得出結(jié)論，達到認識事物本質(zhì)的目的。這也是一種常用的科學方法——推理法。由于推理法是用通常情況下完成的實驗代替了理想情況下才能完成的實驗，所以推理法有時也叫理想實驗法。初中物理教材中比較典型的例子是牛頓第一定律的得出。例1：人們常用推理的方法研究物理問題。在研究物體運動狀態(tài)與力的關(guān)系時，伽利略通過如圖甲所示的實驗和對實驗結(jié)果的推理得到如下結(jié)論：運動著的物體，如果不受外力作用，它的速度將保持不變，并且一直運動下去。小車在不同表面上的運動毛巾表面棉布表面木板表面abc例2.推理的方法同樣用在“研究聲音的傳播”實驗中。在如圖乙的試驗中，現(xiàn)有的實驗設(shè)備總是很難將玻璃罩內(nèi)抽成真空狀態(tài)，在這種情況下，你是怎樣通過實驗現(xiàn)象推理得出“聲音不能在真空中傳播”這一結(jié)論的？【分析】在“研究聲音的傳播”實驗中，實驗現(xiàn)象是隨著罩內(nèi)空氣的不斷抽出，聽到鈴聲越來越弱。但最后還是能聽到聲音，主要原因有：實驗設(shè)備總是很難將玻璃罩內(nèi)抽成真空狀態(tài)，以及周圍的固體還能傳聲。這時推理就顯得很重要了，它能夠突破實驗條件的限制，抓住主要因素，忽略次要因素，得出結(jié)論。題目的示例，既給出了學生套用的格式，又降低了考題的難度。本實驗可以推理：如果罩內(nèi)被抽成真空，將不能聽到鈴聲，由此可以推出“聲音不能在真空中傳播”的結(jié)論。三、模型研究法物理學中常常把實際的研究對象或?qū)嶋H的過程抽象成一定的“物理模型”注意：模型法有時也包含有類比法的思想，但它更突出的特點是力求將研究的對象抽象化、簡單化。書中實例:研究肉眼觀察不到的原子結(jié)構(gòu)時建立原子核式結(jié)構(gòu)模

研究連通器原理時用到液片模型研究光現(xiàn)象時用到光線模型研究磁現(xiàn)象時用到磁感線模型力的示意圖或力的圖示是實際物體和作用力的模型電路圖是實物電路的模型……杠桿抽水機手柄縫紉機踏板桿秤瓶蓋起子鍋爐水位計過路涵洞自來水管三峽五級船閘連通器輪軸方向盤轆轤自行車車把扳手沿斜坡將貨物推到高處盤山公路螺絲斜面磁場的特點磁感線光線四、近似法

有許多物理常數(shù)或物量，受其它因素的影響是變化的，但這種變化非常微小，為了研究問題方便，常常假定它為一定值來研究問題。例１：g在不同高度、緯度常常不同，但在地球附近，由于g的變化小，常取g=9.8N/kg．例２：計算燈泡在不同電壓下的實際功率。在不同電壓下，燈絲的溫度不同，電阻也不同，但在計算的過程中認為電阻為一定值不變。例３：計算氫氣球在升空的過程中所受的浮力，我們知道空氣的密度是隨高度的增加而減小的，而在計算時總是取1.２９千克每立方米，也是忽略了它的變化。五、轉(zhuǎn)換法

物理學中對于一些看不見、摸不著的現(xiàn)象或不易直接測量的物理量，通常用一些非常直觀的現(xiàn)象去認識，或用易測量的物理量間接測量，這種研究問題的方法叫轉(zhuǎn)換法。初中物理在研究概念、規(guī)律和實驗中多處應(yīng)用了這種方法。書中實例:物體發(fā)生形變或運動狀態(tài)改變可證明此物受到力的作用

馬得堡半球?qū)嶒灴勺C明大氣壓的存在

影子的形成可證明光沿直線傳播奧斯特實驗可證明電流周圍有磁場指南針指南北可證明地磁場的存在

擴散現(xiàn)象可證明分子做無規(guī)則運動鉛塊實驗可證明分子間引力的存在運動的物體能對外做功可證明它具有能

……溫度計的工作原理例：用下圖所示的實驗來研究流體壓強與流速的關(guān)系時，對著兩紙片中間吹氣是為了

，你是通過觀察

來判斷紙片間壓強大小變化的。這種研究問題的方法叫做

。

加快兩紙片間空氣的流速

兩紙片相互靠近或遠離轉(zhuǎn)換法【分析】對著兩紙片中間吹氣是為了加快兩紙片間空氣的流速，我們是通過觀察兩紙片相互靠近或遠離來判斷紙片間壓強大小變化的。由于氣體壓強我們看不見、摸不著，所以我們通過這種轉(zhuǎn)換法的方式感知它的存在。

等效是指不同的物理現(xiàn)象、模型、過程等在物理意義、作用效果或物理規(guī)律方面是相同的。它們之間可以相互替代，而保證結(jié)論不變。等效的方法是指面對一個較為復(fù)雜的問題，提出一個簡單的方案或設(shè)想，而使它們的效果完全相同，從而將問題化難為易，求得解決。六、等效法即從事物間的等同效果出發(fā)，通過聯(lián)想把陌生的，困難的，復(fù)雜的用常規(guī)手段不易解決的問題轉(zhuǎn)化為一個熟悉的，簡單的問題的方法。書中實例:等效電路

等效電阻

分力與合力等效

……用排水法測量不規(guī)則小塊固體的體積請觀察：轉(zhuǎn)換法:

電流大小燈泡亮度磁場小磁針偏轉(zhuǎn)等效法:分力合力小石塊體積排開水的體積;小結(jié)：“等效法”中相互替代的兩個物理量種類通常相同，而“轉(zhuǎn)換法”中的兩個物理量只是有因果關(guān)系，其性質(zhì)往往并不相同。放大法？累積法？電阻串聯(lián)R1R2

R312RR=R1+R2+R3電阻并聯(lián)R3R2R1++R電路的接法

34二力的合成Ｆ１Ｆ２ＦＦ-Ｆ２Ｆ１〖例〗如圖所示，在桌面上豎立一塊玻璃板，把一支點燃的蠟燭放在玻璃板前面，可以看到玻璃板面出現(xiàn)蠟燭的像。要想研究玻璃板成像特點，關(guān)鍵的問題是設(shè)法確定像的位置。仔細想想，實驗時具體的做法是__________。我們這樣確定像的位置，憑借的是視覺效果的相同，因而可以說是采用了_________的科學方法。

【分析】虛像是無法用光屏承接。答案：另外拿一只相同的蠟燭在玻璃板后面移動，直到看上去它跟像完全重合；等效替代。

七、圖像法就是利用平面直角坐標系中的物理圖像研究問題的方法。12345晶體熔化t/℃T/mint/℃t/℃t/℃T/minT/minT/min晶體凝固非晶體熔化非晶體凝固液體沸騰t/℃T/min八、類比法

類比在物理學中有著廣泛的應(yīng)用。所謂類比，實際上是一種從特殊到特殊或從一般到一般的推理。它是根據(jù)兩個（或兩類）對象之間在某些方面的相同或相似而推出它們在其他方面也可能相同或相似的一種邏輯思維。從而可以幫助我們理解較復(fù)雜的實驗和較難的物理知識。書中實例:電壓與水壓電流與水流

內(nèi)能與機械能

……原子結(jié)構(gòu)與太陽系水壓與電壓水流與電流例：為了讓同學們理解把幾個電阻串聯(lián)起來和并聯(lián)起來對總電阻的影響，老師作了這樣的一個“類比”：某學校的同學想從小河的南岸到北岸參加植樹活動，他們利用若干塊相同的木板搭成如圖所示的三種橋梁，請大家想一想，要想讓全校的學生安全地過河，按哪一種方法搭建的橋梁最方便快捷呢？而哪一種方法又是最不合理的呢？同學們肯定會很快地判斷出：第三種方法是最方便快捷的，因為它的橋面最寬；而第二種方法是最不合理的，因為它不僅沒有增加橋面的寬度，反而加長了橋面的長度！現(xiàn)在我們將上例中的每一塊木板當成一個電阻，則第二種方法相當于將三個電阻

聯(lián)，第三種方法相當于將三個電阻

聯(lián)，于是同學們就很容易通過對比三種橋的效果得出這樣的結(jié)論：把幾個電阻串聯(lián)起來，相當于增加了導(dǎo)體的

，所以總電阻

（填“變大”、“變小”、“不變”）；把幾個電阻并聯(lián)起來，相當于增加了導(dǎo)體的

，所以總電阻

（填“變大”、“變小”、“不變”）。請你也試著舉一個這樣的“類比”研究科學問題的例子：

?！痉治觥康诙N方法相當于將三個電阻串聯(lián)，第三種方法相當于將三個電阻并聯(lián)。對比三種橋的效果可以得出這樣的結(jié)論：把幾個電阻串聯(lián)起來，相當于增加了導(dǎo)體的長度，所以總電阻變大；把幾個電阻并聯(lián)起來，相當于增加了導(dǎo)體的橫截面積，所以總電阻變小。這樣的“類比”研究科學問題的例子除了上文提到的還有：波紋在水面的傳播類比聲波的形成；研究聲波時，可以用彈簧做類比實驗，將彈簧平放于桌面，來回運作，會形成密部和疏部；細水管喝水比粗吸管喝水時間要慢，就好比粗的導(dǎo)體中電阻比細導(dǎo)體的電阻??；大氣的壓強就好象無數(shù)的雨點打在傘上一樣；

……

例題分析例1：電阻可能跟溫度有關(guān)。請你用一個廢燈泡的燈芯，設(shè)計一個實驗來研究問題。要求：說出方法；畫出電路圖。＋－＋－A－0．6A九、比較法尋找兩件事物的相同和不同之處，就需要用到比較法，可以進行比較的事物和物理量很多，對不同或有聯(lián)系的兩個對象進行比較，我們主要從中尋找它們的不同點和相同點，從而進一步揭示事物的本質(zhì)屬性。書中實例:質(zhì)量與重力的比較壓力與重力的比較串聯(lián)與并聯(lián)電路的比較電流表和電壓表用法的比較串、并電路電壓、電流、電阻的比較功率與效率的比較電與磁的比較……十、歸納法歸納法是通過樣本信息來推斷總體信息的技術(shù)。比如銅能導(dǎo)電，銀能導(dǎo)電，鋅能導(dǎo)電則歸納出