物理规律思维方法

物理规律(包括定律、定理、原理、法则、公式等)反映了物理现象、物理过程在一定条件下必然发生、发展和变化的规律,反映了物质运动变化的各个因素之间的本质联系,揭示了物理事物本质属性之间的内在联系,是物理学科结构的核心.物理规律的教学既是物理知识教学的核心内容,同时也是物理思维能力培养的重要途径.本人总结出一些探索物理规律的思维方法,与同仁共议.

一、获得足够的感性认识

物理规律具有三个显著特点：第一,物理规律是观察、实验、思维相结合的产物；第二,物理规律反映了有关物理概念之间的必然联系.任何物理规律,都是由一些概念组成的,通过语言逻辑或数学逻辑表达概念之间的联系和关系；第三,任何物理规律具有近似性和局限性.反映物理现象和物理过程的发生、发展和变化的物理规律,只能在一定的精度范围内足够真实但又是近似地反映客观世界.物理规律不仅具有近似性,而且由于物理规律总是在一定范围内发现的,或在一定的条件下推理得到的,并在有限领域内检验的,所以,物理规律还具有局限性.也就是说,物理规律总有它的适用范围和成立条件.由此可见,作为近似反映物理对象、物理现象、物理过程在一定条件下发生、发展和变化规律的物理规律的建立,离不开观察实验和数学推理,也离不开物理思维,是三者相结合的产物.丰富的感性认识是建立物理规律的基础.

学习物理规律是对已有的物理规律的一个有组织的学习过程,它虽不像物理史上建立物理规律那样曲折漫长,但也是极其复杂的,需要在一定的背景知识指导下,对感性认识进行思维加工.获得足够的感性认识是学习物理规律的基础,也是在物理规律教学中培养学生思维能力的基础.在物理教学中,教师要指导学生通过观察实验,分析学生生活中熟知的典型事例,或从对学生已有知识的逻辑展开中提出问题,激发学习兴趣,创造便于探索规律的良好的环境,提供探索物理规律所必须的感性材料,提供进一步思考问题的线索和依据,为研究物理规律提供必要的感性认识.

二、探索物理规律的思维方法

在获得足够的感性认识的基础上,教师要指导学生探索物理规律,根据建立物理规律的思维过程和学生的认知特点,选择适当的途径,对感性材料进行思维加工,认识研究对象、现象之间的本质的、必然的联系,概括出物理规律.这是在物理规律教学中培养学生思维能力的关键. 中学生在建立物理规律时,常用的思维方法有四种：

第一,实验归纳.实验归纳即直接从观察实验结果中分析、归纳、概括而总结出物理规律的方法.具体的做法有：第一,由对日常生活经验或实验现象的分析归纳得出结论.如掌握蒸发快慢的条件、电磁感应定律等；第二,由大量的实验数据,经归纳和必要的数学处理得出结论.如掌握力矩的平衡条件、胡克定律、光的反射定律、气体的实验定律等；第三,先从实验现象或对事例的分析中得出定性结论,再进一步通过实验寻求严格的定量关系,得出定量的结论,如掌握液体内部的压强、牛顿第三定律、光的折射定律等；第四,在通过实验研究几个量的关系时,先分别固定某些量,研究其中两个量的关系；然后加以综合,得出几个量的关系.如掌握欧姆定律、牛顿第二定律、焦耳定律等等；第五,限于条件,无法直接做实验时,可通过分析前人的实验结果,归纳出结论.例如掌握光电效应公式.

第二,理论分析.理论分析就是利用已有的物理概念和物理规律,通过物理思维或数学推理,得出新的物理规律的方法.常见的有理论归纳和理论演绎两种.理论归纳就是利用已有的物理概念和物理规律,经归纳推理,得出更普遍的物理规律的思维方法.例如,能的转化和守恒定律的学习和掌握,就可利用理论归纳的方法.能的转化和守恒定律是在科学各分支学科长期发展的基础上,经许多人系统的研究和总结后,于19世纪中期形成的自然界的一条基本规律.学习和掌握这一规律不可能由某一实验归纳来完成,可以根据科学史上建立这一规律的过程,对有关规律进行归纳而得到.19世纪中期以前,在力学方面,建立了动能、势能、机械能等概念和机械能守恒定律：在热学方面,人们建立了热量的概念,并广泛研究了热与机械功的相互转化问题,得到热力学第一定律；在电学方面,英国物理学家焦耳对电流热效应 进行了定量的研究,建立了焦耳定律；化学反应中建立了能量守恒.学生可以对所学的这些实验规律进行归纳总结,从而掌握能的转化和守恒定律；理论演绎就是利用较一般的物理规律,经演绎推理,推导出特殊的物理规律的思维方法.例如,在学习了能的转化和守恒定律后,可以推断出判定感应电流方向的规律——楞次定律.又如,学习理想气体实验定律,既可用实验归纳法,也可以用理论演绎法,从理想气体状态方程演绎出玻意耳定律、盖吕萨克定律和查理定律.若将实验归纳和理论演绎结合起来,有助于理想气体实验定律的理解.

第三,类比.类比是根据两个(或两类)对象在某些属性上相似而推出它们在另一属性上也可能相似的一种推理形式.其具体过程是：通过对两个不同的对象进行比较,找出它们的相似点,然后以此为依据,把其中某一对象的有关知识或结论推移到另一对象中去.类比方法在物理学中获得了广泛的运用.首先,类比是提出物理检测说的重要途径；其次,在物理学研究中广泛运用着的模型化方法,实质上包含着类比方法的应用.学生在学习物理规律时,可以遵循建立物理规律的程序和原则,通过类比的思维方法,加深对物理规律的理解,同时提高思维能力.

第四,臻美.所谓臻美的方法,就是在研究物理问题的过程中,按照美学规律,对尚不完美的东西进行加工、修改以致重组的思维方法. 美是在审美主体与审美客体统一的审美活动中,能满足主体需要的并合乎客观规律的可感形象.物理学中蕴含着美的本质,本质要通过形式来反映.虽然物理的研究范围极为广泛,物理规律极为复杂,但物理家们普遍认为,物理学中蕴含的形式美主要有：“对称、简洁、和谐、多样统一”. 利用臻美的思维方法,通过对美的追求提出检测说,然后利用实验直接或间接验证,从而建立物理规律,是物理规律建立 的一种重要的方法.学生在学习某些物理规律时,要掌握这一思维方法.

当然,在带领学生探索和研究具体的物理规律时,不一定要按照历史上建立物理规律的过程来进行,教师可以根据教学要求、学生的年龄特征、知识基础、能力水平、学校情况、教学内容、自身特点等来确定用什么方法.