赏析2007年中考盘点物理研究方法教学

赏析２００７年中考题，盘点物理研究方法教学
山东省淄博市临淄区凤凰镇召口中学　孙丰富　边心娟
（邮编：255419 电话：13969396442）
《物理课程标准》要求，在突出科学探究内容的同时，重视研究方法的指导，使学生在进行科学探究、学习物理知识的过程中，逐渐拓宽视野，初步领悟到科学研究方法的真谛。因此，注意考察研究物理问题的方法，必将成为当前和今后中考的热点。
在初中阶段，需要学生掌握的科学研究方法主要有：控制变量法、等效替代法、转换法、理想化模型、理想化实验、类比法、比较法等。现结合2007年全国各地中考试题谈谈物理教材中的研究方法问题。
一、控制变量法
控制变量法就是把一个多因素影响某一物理量的问题，通过控制某几个因素不变，只让其中一个因素改变，从而转化为多个单一因素影响某一物理量的问题的研究方法。这种方法在实验数据的表格上的反映为：某两次实验只有一个条件不相同，若两次实验结果不同，则与该条件有关，否则无关。反过来，若研究某物理量与某一因素是否有关，则应只使该因素不同，而其他因素均应相同。控制变量法是中学物理中最常用的研究方法，在中考中考察的力度也最大。
例1、（2007年山东淄博中考）小明同学在实验室找到了几根锰铜合金丝和镍铬合金丝，其规格如下表所示。他想在不剪断合金丝的前提下，比较锰铜合金丝和镍铬合金丝这两种材料的导电性能。请你利用学过的知识帮助小明设计实验方案。
⑴ 实验中应选编号为 的锰铜合金丝和编号为 的镍铬合金丝进行研究。
⑵ 请在下面的虚线框内画出实验电路图。（实验过程中不允许拆卸元件，只能通过开关改变电路连接情况）
编号 材 料 长 度 横截面积
A 锰铜合金 0.5m 2.0mm2
B 锰铜合金 1.5m 1.5mm2
C 锰铜合金 1.8m 1.0mm2
D 锰铜合金 2.0m 0.5mm2
E 镍铬合金 0.3m 2.0mm2
F 镍铬合金 1.3m 1.5mm2
G 镍铬合金 1.5m 1.0mm2
H 镍铬合金 2.0m 0.5mm2
⑶ 请根据你设计的实验电路简要说明比较两种材料导电性能的方法。
研究方法点拨：材料的导电性能可能与材料的种类、材料的长度、材料的横截面积有关。因此在比较锰铜合金丝和镍铬合金丝这两种不同材料的导电性能好坏时，根据控制变量法的思想，应保持两种材料的长度和横截面积都相同。故实验中应选编号为D 的锰铜合金丝和编号为 H的镍铬合金丝进行研究。
实验时将长度和横截面积都相同的锰铜合金丝和镍铬合金丝接入同一电压驱动的电路中，通过观察电流表的示数大小来比较两种材料导电性能的好坏。
参考答案：
如图，闭合开关S，读出电流表示数I1、I2 ，若I1＞I2 ，则锰铜合金丝导电性能强；反之，则镍铬合金丝导电性能强；若I1＝I2 ，则两种金属丝导电性能相同。
联想：教材（人教版）中涉及到控制变量法的知识主要有：探究滑动摩檫力的大小与什么因素有关；探究压力的作用效果跟什么因素有关；研究液体内部的压强规律；探究动能（或重力势能）的大小与什么因素有关；探究不同物质的吸热能力与物质种类、质量、温度的关系；研究决定电阻大小的因素；探究电阻上的电流与电压的关系；探究电功（或电热）跟什么因素有关；研究影响电磁铁磁性强弱的因素；研究感应电流的方向跟什么因素有关；研究通电导体在磁场中的受力与什么因素有关等等。
二、等效替代法
等效替代法是指在保证某一方面效果相同的前提下，用理想的、熟悉的、简单的物理对象、物理过程、物理现象来替代实际的、陌生的、复杂的物理对象、物理过程、物理现象的思想方法。简言之，等效的方法就是对一个较为复杂的问题，提出一个简单的方案或设想，而使它们的效果完全相同，从而将问题化难为易，求得解决。等效替代法主要分：物理模型的等效替代、物理过程的等效替代、作用效果的等效替代以及物理图形的等效替代等形式。
例２、（2007年云南玉溪中考）“曹冲称象”的故事流传至今，最为人称道的是曹冲采用的方法，他把船上的大象换成石头，而其他条件保持不变，使两次的效果（船体浸入水中的深度）相同，于是得出大象的重就等于石头的重。人们把这种方法叫“等效替代法”。请尝试利用“等效替代法”解决下面的问题。
【探究目的】粗略测量待测电阻RX的值
【设计实验和进行实验】用如图甲所示的电路可以测量一个未知电阻的阻值，其中Rx为待测电阻，R为电阻箱 (符号为≠)，S为单刀双掷开关，R0为定值电阻．某同学用该电路进行实验，主要步骤有：
A．把开关S接b点，调节电阻箱，使电流表的示数为I； B．读出电阻箱的示数R；
C．把开关S接a点，读出电流表的示数为I；
D．根据电路图，连接实物，将电阻箱的阻值调至最大；
(1)上述步骤的合理顺序是___________________ (只需填写序号)．
(2)步骤A中电阻箱调节好后示数如图乙所示，则它的示数为________Ω．若已知R0的阻值为10Ω，则待测电阻的阻值为 Ω．
(3)本实验所采用的物理思想方法可称为_______________(选填“控制变量法”或“等效替代法”)．
研究方法点拨：替代法的测量思路是等效的思想，本题可以利用电流等效，即先把开关S接a点，读出电流表的示数为I（此电流为Rx、R0共同作用的效果）；然后再把开关S接b点，调节电阻箱，使电流表的示数仍变为原来的数值I（此电流为R、R0共同作用的效果）。既然Rx和R0共同作用的效果与R、R0共同作用的效果相同，则Rx＋R0＝R＋R0，即Rx＝R。这里用电阻箱R等效替代了待测电阻Rx。测量方法突破常规思维，非常独特、新颖。
参考答案：（１）D C A B （２）４７　４７　　（３）等效替代法
联想：教材（人教版）中涉及到等效替代法的知识主要有：研究平面镜成像特点时，用镜后未点燃的蜡烛代替镜前点燃蜡烛的像；研究多开关复杂电路时，用简单的＂等效电路＂简化复杂电路；研究串并联电路的电阻关系时引入＂等效电阻＂的概念；研究各分力的作用效果时引入了＂合力＂的概念；用单表测电阻时，用电阻箱阻值等效替代被测电阻阻值（如上例２）等等；
三、转换法
物理学中有的物理现象不便于直接观察，有的物理量不便于直接测量，通过转换为容易观察或测量的与之相等或与之相关联的物理现象，从而获得结论的研究方法叫转换法。转换法中被转换的对象很多，可以是物理模型、研究对象和研究方法，也可以是某个图形，某个物理量。初中物理在研究概念、规律和实验中多处应用了这种方法。
有的物理现象不便于直接观察，如分子、电流、磁场看不见、摸不到，我们可分别通过墨水的扩散现象、电流产生的效应、磁场中小磁针的偏转来认识并研究它们。
有的物理量不便于直接测量，如电阻、电功率等量不宜直接测量，我们可转化成用电压表、电流表分别测出电压Ｕ和电流Ｉ，然后分别由公式Ｒ＝Ｕ／Ｉ、Ｐ＝ＵＩ计算出电阻和电功率。
例３、（2007年山东济宁中考）小明要用图所示的实验器材探究电压一定时，电流热效应与电阻的关系。其中瓶内电阻丝的长度、粗细都相同。
(1)请你用笔画线代替导线，帮他把电路连接完整。
(2)电流产生热量的多少不易直接测量。因此，在这个实验中是通过 显示电流产生热量的多少的。象这种用能直接观测的量来显示不易直接观测的量的方法叫“转换法”。这种方法在物理学的研究中经常用到，请你列举一例： 。
(3)在这个实验中，除了控制电压一定外，还要控制的量有 。
(4)在这个实验中，若两个电阻丝的通电时间相同，则 瓶内温度计的示数升高的多。
研究方法点拨：首先要知道电流产生热量的多少是无法直接测量的，通过煤油温度变化的快慢情况，可以间接知道电阻丝产生热量的多少，这就是转化的思想。
参考答案：⑴ 图略，两电阻丝并联。⑵ 温度计示数升高的多少　　研究分子运动时，用固体、液体、气体的扩散推测分子的热运动；探究平面镜成像时，用相同的蜡烛找像的位置等。(3) 两瓶内煤油的质量 、通电时间等。（4）甲
联想：教材（人教版）中涉及到的转换法的知识主要有：
１、现象转换：通过观察压强计U型管内液柱的高度差判断液体内部有压强；通过马得堡半球实验证明大气压的存在；通过观察木块被运动的小球碰撞后移动距离的大小来比较动能的大小；通过观察木桩被落下的金属块撞击后陷入沙坑中的深浅来比较重力势能的大小；通过墨水的扩散现象来认识分子的无规则运动；通过观察验电器上锡箔片的开合来判断物体是否带电；通过电流产生的（热、磁、化学）效应来判断电流的存在；通过观察电流表示数来比较导体电阻的大小；通过砝码被提升的高度判断电功的多少；通过煤油温度的变化来判断电流产生热量的多少；通过指南针指南北证明地磁场的存在；通过磁体会使小磁针发生偏转来判断磁场的存在；判断通过电磁铁吸引大头针的多少来比较电磁铁磁性的强弱等等；
２、测量转换：在测不规则物体的体积时转换成测物体排开水的体积；在测量滑动摩擦力时转化成测拉力的大小；在测量大气压强时转化成测被大气压压起的水银柱的压强；密度、压强、功率、电阻、电功率的测量等等。
四、理想化模型法
理想化模型是指把复杂的问题简单化，把研究对象的一些次要因素舍去，抓住主要因素，对实际问题进行理想化处理去再现原形的本质的东西，构成理想化的物理模型。这是一种重要的物理研究方法。理想化模型可分为对象模型、条件模型和过程模型三类。例如探究杠杆平衡条件的实验，杠杆就是一种理想化的模型。杠杆在使用时，由于受到力的作用，都会引起或多或少的形变，然而在研究中把此时的形变忽略不计，这里我们就把杠杆经过理想化的处理，认为它无形变，视为一个硬棒，从而使学生在研究时不被细枝末节的因素影响，顺利地得出杠杆平衡原理。
例４、（2007年山东烟台中考）瓶盖起子有图6(a)(b)两种用法，A、B是开盖时起子和瓶盖接触的两点．在瓶盖和瓶口的接触点中，D和E分别是离手最远和最近的两点．开盖时手对起子施加的力F作用在G点，瓶口对瓶盖的阻力可以认为作用于瓶盖的中心C点(图中没有标出)．如果瓶盖在打开的过程中没有发生明显的弯折．则（ ）
A．(a)图支点是A，(b)图支点是B，(b)种用法省力
B．(a)图支点是A，(b)图支点是B，(a)种用法省力
C．(a)(b)两图支点都是B，(b)种用法省力
D．(a)(b)两图支点都是A，(a)种用法省力
研究方法点拨：用瓶盖起子起瓶盖时，瓶盖起子都绕一个固定的点转动，因此可把瓶盖起子抽象成杠杆模型。当用(a)图瓶盖起子时，手施加向上的力使起子绕A点转动，B点给瓶盖施加一个向上的力，起起瓶盖，此时A点为支点；当用(b)图瓶盖起子时，手施加向下的力使起子绕B点转动，A点给瓶盖施加一个向上的力，起起瓶盖，此时B点为支点。两种情况下瓶盖起子都是省力杠杆，但(a)图中动力臂（A离G的垂直距离）更长些，由杠杆的平衡条件可知，(a)种用法更省力些。
参考答案：B。
联想：教材（人教版）中涉及到理想模型法的知识主要有：
１、对象模型：如表示光的直线传播的光线，描述磁场的磁感线，描述力的图示、示意图，推导液体压强公式时选取的“液柱”，分析连通器原理使用的“液片”， 研究肉眼观察不到的原子结构时建立原子核式结构模型等都属于对象模型。
２、条件模型：如光滑表面、轻杆、均匀介质都属于条件模型。电学实验中把电压表看成内阻是无穷大的理想电压表，电流表看成内阻为0的理想电流表等也属于条件模型。
３、过程模型：如匀速直线运动、光在空气（是不均匀的）中沿直线传播以及汽油机和柴油机模型都属于过程模型。
五、理想化实验（实验推理法）
理想实验又叫做假想实验，它是人们在思想中塑造的一种理想实验，是逻辑推理的一种特殊形式。它是在观察实验的基础上，忽略次要因素，进行合理的推想，得出结论，达到认识事物本质的目的。它既要以实验事实作基础，但又不能直接由实验得到结论。
理想实验在物理学的理论研究中有重要的作用。比如，我们在探究空气能传声的实验中，逐渐将真空罩内的空气抽出，听到罩内的闹钟的声音逐渐变弱，于是我们推理得出将真空罩内的空气抽完（即真空），就听不到闹钟的声音了，从而得出真空不能传声的结论。这里采用的方法就是理想化，因为无论怎样抽气是不可能将真空罩内的空气抽完的。
例５、（2007年江西省中考）在实验的基础上进行科学推理是研究物理问题的方法之一。得出下列物理规律的过程中，运用了这一方法的是（　　　）
A．阿基米德原理　　B．牛顿第一定律　　C．真空不能传声　　D．平面镜成像特点
研究方法点拨：阿基米德原理F浮=G排和平面镜成像特点（等大、对称、正立、虚像）都是从实验中直接得到的结论，因为地球上一切物体都要受到外力的作用，同理真空罩中的空气是不可能抽完的，所以牛顿第一定律和真空不能传声无法直接用实验证明或验证，只有在实验的基础上通过科学的推理才能得到。
参考答案：B、C。
联想：教材（人教版）中涉及到理想化实验的知识主要有：研究真空不能传声；用“斜面小车实验”研究牛顿第一定律等等。
六、类比法
类比法是一种推理方法。它是指通过借助于一个人们比较熟悉的对象的某些特征，去对照学习和掌握另一个有相似性的对象的某些特征的逻辑思维研究方法。认识和研究物理现象、概念和规律时，将它与生活中熟悉且有共同特点的现象进行灵活、合理的类比，将有助于学生的理解。如研究电流时类比水流，形象直观的比较，很容易被学生理解记忆牢固。
例6、（2007年天门中考）19世纪末，汤姆逊发现了电子，将人们的视线引入到了原子的内部，由此，科学家们提出了多种关于原子结构的模型。通过学习，你认为原子结构与下列事物结构最接近的是（　　）
A．西红柿　　B．西瓜　　C．面包　　D．太阳系
研究方法点拨：大家首先要在头脑中再现学习过的原子结构的模型：原子由位于原子中心的原子核和核外电子组成，核外电子在原子核的电力吸引下，绕核高速运动，这与太阳系十分相似。太阳系中太阳位于中心，八大行星在引力作用下绕太阳运转。它们在空间结构和运动方式上都是相似的。
联想：教材（人教版）中涉及到类比法的知识主要有：研究电流时类比水流；研究分子内能时类比物体的机械能；学习功率时类比速度；学习大气压时类比液体压强；研究电磁波时类比水波等等．
七、比较法
当你想寻找两件事物的相同和不同之处，就需要用到比较法。比较法是指对不同或有联系的两个对象进行比较，从中寻找它们的不同点和相同点，从而进一步揭示事物的本质属性的研究方法。如，比较蒸发和沸腾的异同点；比较汽油机和柴油机的异同点等．
例７、（2007年山东烟台中考）下图为两个相互平衡的力与两个相互作用力的维恩图，其中它们的相同点已标明在两圆相重叠的区域，请你将它们的独有特性(不同点)写在相应圆中重叠区域以外部分内．
研究方法点拨：平衡力和相互作用力是初中教材中两个很重要又很相近的力，学生容易混淆。二力平衡的条件是：两个力作用在同一物体上、大小相等、方向相反、作用在同一条直线上；而相互作用力的条件是：两个力作用在不同的物体上、大小相等、方向相反、作用在同一条直线上。由此可见，平衡力和相互作用力的唯一区别是作用的对象是同一物还是不同的物体，清楚了这一点，区分平衡力和相互作用力便很简单了。
参考答案：左：作用在同一物体上　　右：作用在不同物体上
联想：教材（人教版）中涉及到比较法的知识主要有：蒸发和沸腾的比较；晶体和非晶体熔化过程的比较；汽油机和柴油机的比较；功率与效率的比较;串联与并联电路的比较; 电流表与电压表的比较；串、并电路中电流、电压、电阻、电功、电功率、电热的比较;
发电机和电动机的比较；电磁波与水波的比较等等。
总之，利用控制变量法研究物理问题，注重了知识的形成过程，有利于扭转重结论、轻过程的倾向；等效替代法在效果相同的情况下将问题化难为易，求得解决；转换法能帮助学生认识抽象的物理现象；建立理想模型法可以帮助人们透过现象，从本质认识和处理问题；理想化实验有利于培养学生的科学思想，提高学生的创新能力；类比方法可以帮助学生理解较复杂的实验和较难的物理知识；比较法可以加深学生对知识的理解与掌握。
正如诺贝尔奖获得者费恩曼所说：“我们的责任是给未来的人们一双没有镣铐的双手。”物理教学必须在新课程理念的引领下，重视方法的研究，培养学生的科学素养、创新意识和实践能力。眼下，教师应转变观念，更新知识，不断提高自身的综合素养，创造性地理解和使用课本，灵活运用多种研究方法，引导学生在探究中学会学习，真正成为学习的主人，为学生的终身学习奠基。
铜丝
镍铬合金丝
煤油
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