初中物理规律教学设计.docx
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初中物理规律教学设计
专题讲座
初中物理规律教学设计
北京市门头沟教师进修学校 王志刚
讲座的主要议题：
一、物理规律教学的重要性
二、物理规律的建立过程
三、如何进行物理规律教学
（一）提出问题创设物理环境
（二）进行思维加工建立物理规律
（三）理解物理规律明确使用条件
（四）运用物理规律解决物理问题
四、学生学习物理规律的常见问题及解决策略
一、物理规律教学的重要性。
物理规律是物理学科知识的核心，是物理知识结构的骨架。
物理规律包括物理定律、定理、原则、公式等。
它反映了物理现象，物理过程在一定条件下必然发生，发展和变化的规律，它反映了物质运动变化的各个因素之间的本质联系，揭示了事物本质属性之间的内在联系。
物理规律的教学是物理知识教学最重要的内容之一。
１．人们最终要通过物理规律认识物理世界
学习物理的目的就是在掌握物理知识的基础上，学会分析问题的方法，从而去认识物理世界。
物理规律我们知道它反映了物理世界各个领域发生发展变化的规律。
人们在有限的实验事件、物理现象和物理过程中总结出一定条件下的物理规律，就可以用它去认识、分析、解决物理世界的各种问题。
如果没有物理规律，人们就无法认识物理事物的本质及内部联系，就无法去改造物理世界。
事实上，正是通过物理规律的学习，人们才逐渐深入、广泛地认识物理世界的。
当新问题不符合已有的物理规律时，为了解释新现象、解决新问题，人们再提出假说、实验验证，得出更高级的理论，使已有规律包含在新理论内。
这样不断地利用已有规律，寻找新运动形式下的新规律，使物理理论体系不断完善、发展。
如牛顿定律，使我们认识了宏观低速条件下物体的运动规律；爱因斯坦的相对论，使我们认识了高速运动的物质和宇观世界；量子规律使我们认识了微观物理世界；统计规律使学生们理解液体、气体压强产生的微观实质，理解了温度的本质。
２．与理解物理概念、学习科学方法相辅相成
物理概念和物理规律之间存在着不可分割的辩证关系。
一方面形成物理概念是掌握规律的基础，概念不清就谈不上掌握规律。
物理规律是物理过程中各物理概念之间的必然联系。
在定量情况下，这种联系还被表述成可测量的数值约束（等式、不等式、趋近）。
一般情况下对物理过程中各物理量间必然联系的存在性和发展趋势的揭示，就是定性的物理规律。
对必然联系中量的相互制约的揭示，就是定量的物理规律。
可见概念是规律的基础，理解掌握物理规律可以使我们从运动变化中，从物理对象与物理现象的联系中去进一步理解物理概念。
理解物理规律包括理解规律的意义和含义，含义即内容，意义即内在联系。
例如，惯性定律的物理意义是揭示了物体在不受外力的条件下的运动状态，而惯性定律的含义是不受外力的物体保持静止或匀速直线运动状态。
有些概念本身就是建立在物理规律基础上的。
如，用比值法定义的物理量，ρ=m/v等，就是建立在两个物理量比值为一常数的实验规律之上的。
所以概念和规律的建立与学习是相辅相成、互相制约的、互相促进的。
概念和规律的建立是在一定的感性材料和物理现象的基础上，通过观察、分析、抽象、概括、数学推理等一系列的方法形成的。
整个中学物理是以为数不多的基本概念和基本规律为主干而构成的一个完整的体系，是由基本概念、基本规律和基本方法及相互联系构成的科学的基本结构，其中概念是基础，规律是中心，方法是纽带。
只有通过一定的科学方法，才能形成概念、建立规律。
同时，规律的建立又为研究新规律或概念提供了更好的方法，方法在学习知识过程中惯穿始终，学习知识的过程同时也是学习方法的过程，二者互相依存，互相促进。
３．学习物理规律是发展能力，培养科学精神的主要途径
学习物理规律的过程是建立、理解和应用规律的过程。
在这一系列学习的过程中，不断地运用科学方法对物理现象观察、实验、分析、综合、归纳、抽象、概括，使得相应的能力和智力不断得到发展。
在学习规律的过程中，伴随着知识的不断积累，方法的灵活掌握，学生认识事物，探索知识的本领得到增强。
这个过程中能力得到发展，而能力的发展又促进了知识的掌握。
在物理规律的学习过程中，结合物理学的发展历史，学生能了解科学道路的艰难险阻，体会科学家追求真理，百折不挠的科学精神和实事求是、认真严谨的科学态度，从而受到科学精神与科学态度的教育。
例如，对于某段电路而言，电阻一定，所加的电压改变了，电流就会相应的变化；电压一定，导体的电阻变化了，电流也会相应的变化。
欧姆定律就揭示了电路中这种现象的本质，使人们掌握了部分电路的规律，并了解了电流、电压、电阻三者之间在一定条件下的定量关系。
由于物理规律揭示了物理概念之间的联系，物理学才形成了严密的逻辑结构和体系。
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的基础上归纳总结出来，而后又进一步经过实践检验而确立的，例如帕斯卡定律、阿基米德定律、欧姆定律等。
物理定理则是根据物理定律或理论运用数学方法推导出来的，如串联电路的总电阻和串联电阻的关系、并联电路总电阻与并联电阻的关系、动能定理、动量定理等。
它们的正确性，取决于所依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。
当然，最后它们还要经过实践来检验。
还有些规律，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，如功的原理、光路的可逆性、热平衡方程等，它们无法再用其他规律去证明。
还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、物体的浮沉条件、光的直线传播、平面镜成像特点、晶体熔化和凝固的特点以及安培定则、左手定则、右手定则等一些法则。
当然，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定律，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。
学生认识物理规律的过程与人类探索与研究物理规律的过程大致相似。
因此,物理规律的教学方法与物理学的研究方法大体上是一致的。
物理规律一般具有以下特点:
物理规律是观察、实验、思维和数学推理相结合的产物;物理规律是反映有关物理概念之间的必然联系;
物理规律具有近似性和局限性。
物理规律的教学过程一般要经过提出问题、探索总结规律、规律的表述、运用规律和规律的再认识五个阶段。
二、物理规律的建立过程
作为反映物理对象、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，离不开实验和数学推理，更离不开物理思维，是三者结合的产物。
不同的物理规律，在其建立过程中，采用不同的思维方法。
探索这些思维方法，分析规律的建立过程，有助于学生理解、掌握规律，学习科学方法，发展能力。
同时也为改革物理规律的教学提供一些思路和理论依据。
纵观物理学发展史，物理规律的建立过程主要有三种途径：
实验归纳，理论分析，提出假说。
１．实验归纳
实验归纳即直接从实验结果中分析、归纳、概括而总结出物理规律的方法。
具体过程是，首先要有丰富的感性认识和经验事实，然后对这些事物进行比较、分析，找出它们所具有的共同本质属性，再用归纳的方法，推知所有这类事物也具有这种本质属性。
例如通过实验使学生定性地认识电流流过导体所产生的热量与电流强度、电阻、时间有关，而且随其增大而增加。
之后，再设计实验进行定量的研究，并将实验数据记入表格中。
然后，根据数据引导学生应用数学方法进行定量的分析，总结出规律。
这是经典物理学中建立的物理规律常用实验归纳法。
这也是中学物理教学中应用最广的方法。
例如，欧姆定律、光的折射定律等都是实验归纳的结果。
建立物理规律是一种创造性的劳动。
需要有必要的物理知识作基础，需要丰富的事实依据，需要抽象思维、形象思维和直觉思维共同作用，利用归纳、演绎、类比、理想化实验、假说等各种思维方法，通过直觉的洞察、灵感的激发、想像的发挥、假说的试探，对观察实验结果和原有的理论进行综合的、全面的、深入地研究和探索。
２．理论分析
理论分析就是利用已有的物理概念和物理规律，通过逻辑推理或数学推导，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。
（１）理论归纳
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，推导出更普遍的物理规律的思维方法。
在物理学发展史中，如能的转化和守恒定律的建立，是在动能、势能、机械能和机械能守恒定律、热量、热力学第一定律、焦耳定律等概念和规律建立的基础上归纳总结建立起来的。
（２）理论演绎
理论演绎就是利用较一般的物理规律,经逻辑推理或数学推理，推导出特殊的物理规律的思维方法。
如物体的浮沉条件、串并联电路的电阻公式的推导等。
３．假说方法
假说是物理学发展的基本形式，也是物理学研究问题的一种重要方法。
物理假说就是物理研究者在观察和实验的基础上，根据物理原理和事实，通过思维加工，对未知的物理现象或过程的本质、规律所做的一种假定性说明和解释。
通过提出假说来建立物理规律的过程是首先对以往经验和事实进行分析、总结，然后提出假定性的理论，再通过观察实验和经验事实进行检验。
为证实假说是否正确，必须按假说的内容、目的及所提供的线索和方向进行实验、观察，如果假说被证明是正确的，新的规律就建立了。
例如在研究液体内部压强时，猜想液体内部压强和深度有关。
通过实验证实后，可得出正确的结论。
如欧姆用类比法类比热流规律（傅里叶建立的），研究电现象提出假说：
导线两点之间的电流大小也可能正比于这两点之间的某种驱动力。
他把它称为驱电力，即现在说的电势差。
随后欧姆用实验验证了他类比推理中得出的这个假说，建立了欧姆定律。
一般，初级阶段的学习较多采用实验归纳法，高级阶段的学习教多采用推理和假说法。
三、如何进行规律教学
（一）、提出问题,创设物理环境
提出问题是整个探究的基础，因为问题是思维的动因，是探究的起点。
以问题为载体引导学生展开思维进行探索和研究，寻求解决问题的途径和方法，让学生通过自己的思考和实践去主动获取知识，才能培养学生的创新精神和实践能力。
这一环节尽可能鼓励或启发学生自己去发现和提出问题。
为了让学生能发现和提出问题，作为引导者的教师应为学生多创设问题情景,为学生提供背景知识,积极引导、诱发学生提出问题。
教师可以从实验和日常生活、自然现象等情景中去引导、诱发学生提出问题。
在学生提出问题时，教师要尽可能帮助展现发现问题的思路，渗透发现问题的方法，让学生懂得问题是怎样被发现和提出的。
在教学中，教师引导学生提出问题的常见方法有：
A．观察法
观察法就是通过让学生观察实物、录象、挂图、实验现象提出可能与教学相关的有价值的问题。
例如，在学生探究凸透镜成像规律时，可这样来引导学生提出问题：
教师先演示凸透镜成像实验，移动光屏和蜡烛，让学生观察放大的像、缩小的像等。
然后教师提问：
“像变了吗？
有什麽规律？
由此你想知道什麽？
”
这样学生就可能提出以下几个问题：
（1）像的大小与什么因素有关？
（2）像为什么是倒立的？
（3）用凹透镜行吗？
B．联想法
联想法就是让学生对身边某个比较熟悉的物体、现象或知识产生联想，提出问题。
如学生在探究浮力的应用时，教师可提问：
“你见过轮船吗？
轮船为什麽会浮在水面上？
”学生就会展开丰富的联想，可能提出如下几个问题：
（1）铁块在水中下沉，为什麽用铁做的轮船却浮在水面上？
（2）轮船是空心的，还是实心的？
（3）为什麽装的货物越多，船下沉越多？
C．比较法
比较法就是让学生通过比较几个相关的现象和事例，从中发现问题，提出问题。
如学生在探究电流的热效应与电阻的大小和电流大小的关系时,教师可先出示这两个实例:
一是灯泡接入电路时,灯泡热，与灯泡相连的导线却不怎麽热。
二是与大功率电炉相连的导线却不怎麽热。
让学生通过比较、讨论两个实例产生疑问：
（1）电流产生的热量与哪些因素有关？
（2）电流产生的热量除与电流、电阻有关外，还与其他什麽因素有关？
D．推理法
推理法就是让学生通过对已知的知识进行推理产生疑问从而提出新问题。
如学生在学过奥斯特实验后，可引导学生针对这个实验的现象和结论分别进行逆向思考。
针对奥斯特实验现象（通电导体使小磁针运动）进行逆向思考，学生会提出磁体能否使通电导体运动的问题；针对这个实验的结论（电能生磁），学生会提出磁能否生电的问题。
E．实验法
实验法就是让学生通过自己作实验去发现和提出问题。
如在对光的折射规律进行教学时，教师可这样引导和诱发学生提出问题：
让学生体验光的折射现象，利用初二学生好动的特点，让他们自己操作，自己动手，满足他们的好奇心，激发他们的求知欲。
一上课就把时间留给学生，让学生用给定的器材（一杯水、一根筷子）先让他们作实验，启发他们从实验中发现问题。
（二）、进行思维加工,建立物理规律
在中学物理教学过程中，总结规律主要运用了实验归纳法、逻辑推理法、理想实验法、图像法以及假说等方法。
其中又以实验归纳法最为普遍。
实验归纳法：
所谓归纳法，是从一些特殊的事实中概括出一般性结论的思维方法，是从许多同类的个别事物中找出它们共同点的过程。
（1）实验归纳法:
物理学中运用归纳法的基础主要是实验，因为实验不但能够重复进行，更重要的是它可以准确地反映事物各个部分或物理过程的各个阶段的相互联系，而且运用实验最容易引起学生的兴趣，所以在中学，特别是在初中物理教学中总结物理规律应用最多的便是实验归纳法。
运用实验归纳法时，常常借助于图像，即把实验所得数据在坐标系中画点、连线，从分析图线中，总结规律。
例如,通过利用杠杆、轮轴、滑轮等多种机械提升重物与直接用手提升相比较,归纳出功的原理。
为了提高所得结论的可靠性和准确性，实验次数应该尽可能多，把同类事物尽量都包括进去，以便运用完全归纳法。
但是，由于受时间等条件的限制，一般来说这是办不到的。
所以，实际上我们所运用的只能是简单枚举归纳法，即只需要通过观察某类中的某些事物，只要没有遇到相反的情况，我们就可以推出该类事物共同具有的一般性的结论。
例如，根据浸入水中的物体所受的浮力规律，推论出一般液体共同遵循的阿基米德定律。
其他诸如帕斯卡定律、功的原理、欧姆定律、光的反射定律等等，都是如此归纳而得的。
当然，运用简单枚举法也要尽可能枚举较多的事例。
由于客观事物所遵循的规律往往涉及许多因素，例如，欧姆定律反映了电路中电流强度与电压和电阻之间的关系；物体加热所吸收的热量不仅与物体的质量、升高的温度有关，还与构成物体的物质性质有关等等。
因此，运用实验方法总结规律时，例如，如果一开始就把所有的因素都考虑进去，势必造成实验的困难，于是人们常常采用单因子实验法（或者叫控制变量法）。
例如,欧姆定律的教学中需要先保持电阻不变,研究电流强度随电压变化的规律。
再保持电压不变,研究电流强度随电阻的变化的规律。
最后综合为一条定律。
（2）逻辑推理法：
就是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。
例如，串并联电路中总电阻的计算公式，就是利用欧姆定律结合串并联电路中电流、电压的实验关系，运用简单的数学知识推得的。
另外，许多用实验归纳法总结的规律，如阿基米德定律、物体的浮沉条件，也可以运用逻辑推理法得到。
当然，逻辑推理法证得的结论正确与否，还需要用实验加以验证，毕竟实验是检验真理的唯一标准。
有一些定量描述的规律，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。
例如，电学中的焦耳定律即可如此处理：
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，根据能量的转换与守恒定律、功能关系、欧姆定律等，即可得到焦耳定律的数学表达式Q=I2Rt。
（也可分析数据得出定量表达式）
（3）理想实验法：
它是建立在一定的实验基础上，在人们思想中塑造的一种理想化的理想实验。
理想实验，一般地讲，在当时的条件下是无法做成的，因此，它不是真正的实验而是一种抽象的思维方法，属于假说推理的范畴。
中学物理教材中研究牛顿第一定律、理想气体状态方程时都用了此法。
伽利略首先提出运用理想实验的方法总结出了惯性定律（即牛顿第一运动定律），详细内容。
（4）图像法：
所谓图像法就是假设某一物理量y随另一物理量X而变，从实验和观察中测出一系列与X相对应的y值后，在直角坐标系中分别标出与各组测量结果对应的点，再用光滑的曲线把各点连接起来（曲线不一定要通过每个点，但是要使曲线尽可能靠近各个点）构成图像，然后分析图像找出规律；或者与已经知道数学关系式的图像对比，得出定量的函数关系。
初中物理研究物态变化就是利用图像的方法来研究了萘的熔化和凝固的过程中温度随时间变化的规律。
其他如运用磁感线研究磁场、运用几何作图法研究凸透镜的成像规律等，都体现了图像法形象而直观的特点，是研究物理学的重要方法之一。
（5）假说方法，即科学研究中的一种假定性的科学解释，它是真理发展过程中的一种形式和研究方法。
当真理发展过程中遇到了一种新的事实、运用现有的真理无法解释时，人们常常提出仅仅以有限数量的事实和观察为基础的新的解释，这就是说，假说被证明是对的就成为理论。
假说是一种重要的研究方法，如分子运动论假说等。
2．总结物理规律要遵循简单性原则，这也是物理学的美学原则之一
物理学史表明，科学家都十分注意用最简单的公式来表示客观规律。
例如，牛顿只用了几条简洁的定律，就概括了物质世界纷繁的运动现象，完成了物理学史上的伟大综合。
相对论之父爱因斯坦说：
“我们在寻求一个能把观察到的事实联结在一起的思想体系，它将具有最大可能的简单性，我们所谓的简单性，……是指这体系所包含的彼此独立的假设或公理最少。
”
又如，人们在研究光的折射现象时，发现折射角随着入射角的改变而变。
下列表中列出了用玻璃砖所作的实验中测得的几组入射角和对应的折射角的度数，目的是要找出与的关系。
为此用横坐标表示，用纵坐标表示，用描点法画出它们的图线，但是图线不是简单的一次或二次函数。
为了找出更为简单的关系大约经历了1000年的时间，
荷兰物理学家斯涅尔发现入射角的正弦与折射角的正弦之比是一个常数（笛卡尔作了理论证明），这样用下图表示sinα与sinβ的关系就是一条简单的直线了。
入射角α（度）
折射角β（度）
比值α／β
比值sinα／sinβ
0
0
不确定
10
6.7
1.50
1.49
20
13.3
1.50
1.49
30
19.6
1.53
1.49
40
25.2
1.59
1.51
50
30.7
1.63
1.50
60
35.1
1.71
1.51
70
38.6
1.8l
1.50
80
40.6
1.97
1.51
3．怎样总结物理规律的数学表达式
我们以实验归纳法总结部分电路欧姆定律的数学表达式为例说明。
（1）作单因子实验：
所谓单因子实验方法就是在决定事物规律的多个因素中，先固定一些因素不变，只改变其中的一个因素，进行观察实验，如此多次反复，然后再综合出多个因素之间的关系。
也叫做控制变量实验法。
①先固定导体的电阻R不变，改变导体两端的电压U，观察电流I与U的关系，可得：
I∝U
②再固定电压U不变，改变电阻R，观察I与R的关系，可得：
I∝1/R
③综合①与②两式可得：
I∝U/R
（2）写成数学关系式
①规定单位：
如果导体两端的电压为1伏，通过导体的电流为1安，此时导体的电阻为1欧姆。
②根据①式及上述规定，应有:
导体两端的电压
导体电阻
产生的电流
1伏
1欧
1安
2伏
1欧
2安
3伏
1欧
3安
……
……
……
U伏
1欧
U安
再根据②式
导体两端的电压
导体电阻
产生的电流
U伏
1欧
U安
U伏
2欧
U/2安
U伏
3欧
U/3安
……
……
……
U伏
R欧
U/R安
即I=U/R。
此式即部分电路欧姆定律的表达式。
将I∝U/R写成等式理应为：
I=K·U/R，K为比例系数。
由于上述规定电阻单位的方法，使得K=1，所以公式最简单。
凡是遵循正比例或反比例关系的物理规律，如阿基米德定律、焦耳定律、牛顿第二定律等都可以经过上述步骤总结出数学表达式。
案例1
案例1:
运用实验归纳法总结物理规律（阿基米德定律）
案例2
案例2:
——运用理想实验总结物理规律（牛顿第一定律）
案例3
实例3—应用数学定量分析、综合归纳物理规律（焦耳定律）
（三）、理解物理规律,明确适用条件
在学生认识物理规律的基础上，要引导学生进一步理解物理规律。
具体来讲，要做到理解物理规律的物理含义和物理意义。
中学阶段所研究的物理规律，一般都要用文字语言来表示，物理规律的文字表达即反映了规律的物理含义，是规律的语言表述和表达式中显含的内容。
必须引导学生对规律的表述认真分析，真正理解每一句话，每一个字的物理含义，这样才能真正理解物理规律。
对物理规律的含义的理解要注意三方面：
条件、结论、关键字。
如，牛顿第一定律表述为：
“一切物体在没有受到外力作用的时候，总保持匀速直线运动状态或静止状态。
”条件是“物体没有受到外力作用”，结论是“保持匀速直线运动状态或静止状态”，关键字是“或”。
如果条件不满足，结论就不成立，“或”字的含义是指物体原来是运动的，它将保持这种运动状态，如果原来是静止的，它仍将保持静止。
物理规律的意义和含义是不同的，含义是规律的语言表述和表达式中显含的内容，而意义是规律所反映的本质联系，有时并不显含在规律的表述中。
要理解物理规律的意义，首先应该理解物理规律的含义。
然后再认识物理规律反映了哪些物理量之间的怎样联系，这就是它的物理意义。
例如阿基米德定律，其含义是浸在液体或气体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于物体排开的液体或气体的重力。
所揭示的物理意义为：
物体浸在液体或气体中要受到浮力作用。
物理规律的成立是有条件的，不同的物理规律，成立的条件及适用范围不同。
这是因为客观事物变化、发展在不同阶段、不同领域是遵照不同规律的。
学生只有明确规律成立的条件和适用范围，才能正确地运用规律来研究和解决实际问题。
否则，学生就会出现乱用，乱套公式的现象，导致错误结论。
理规律都是在一定的条件下、一定的范围内总结出来的。
因此,也只能在这个条件下,这个范围内才成立。
有些规律在文字叙述中就已阐明了适用范围和条件。
例如,牛顿第一定律、光的直线传播等。
但是,大量的物理规律在表述中并没有阐明其适用条件和范围,这并不意味着它不受任何限制。
例如,液体内部压强公式适用条件是静止液体,而且不考虑液体表面所受的外界压力;阿基米德定律则对“浸”在液体或气体中的物体适用。
欧姆定律I=U/R,适用于金属导体,不适用于高电压的液体导体,不适用于气体导电,不适用于含源电路或含有非线性元件的电路。
而且I、U、R必须是同一段电路上的三个物理量。
如果学生对此不很清楚,进入高中后常出现乱用某些结论的错误,这与初中不太注意物理规律的适用范围的教学是有关的。
因此,这一点在初中物理教学中应引起重视。
（四）
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