中学物理教学中的科学性错误案例及其分析.docx

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中学物理教学中的科学性错误案例及其分析

中学物理教学中的科学性错误案例及其分析

中学物理教学，首先应当注重的是教学的科学性。

无论是对物理现象、物理概念和物理规律的描述，还是实验或练习题的内容、数据等等都应当是准确无误的。

有些问题在中学阶段不可能一次讲深、讲透、讲全，但在内容和方法上不应有科学性错误。

笔者从中学物理教辅材料中以及听课中发现一些科学性错误，本文就通过其中的几个科学性错误的实例来分析、讨论产生错误的原因以及如何避免错误的发生。

    一、中学物理教学中常见的科学性错误

    1.沿不可伸长的杆的方向的加速度相等吗？

    例1　某一构件由两个菱形组成，如图1所示，AB和DE是两根硬杆，各交点都用光滑铰链连接。

大菱形的边长是2l，小菱形边长是l。

现设法使顶点F以匀加速度a水平向右运动，求：

（1）C点的加速度多大？

（2）求当两个菱形都是正方形，F点的速度为v时，A点的加速度的大小和方向。

    命题者的解答如下：

    上面解答中认为：

A点的切向加速度和C点的加速度沿AC杆的分量相同，即认为沿不可伸长的杆的方向的加速度是相等的。

笔者认为此结论仅适用于杆的平动问题，像上例是错误的，更不能推广到普遍的情况。

    下面通过例子来说明。

    如图2所示，长为l的杆AB沿着墙壁滑下，设OA=x，OB=y，则

。

    图2

    此式说明杆两端点的加速度沿杆方向的分量是不相等的，两者的差值为A相对于B的法向加速度。

    我们可以得出这样的结论：

对于轻杆在非平动的运动过程中，两端点的速度沿杆方向的分量是相等的，两端点的加速度沿杆方向的分量是不相等的，两者的差值为一个端点相对于另一端点的法向加速度。

2.在串联电路中交变电流总电压的有效值等于分电压的有效值之和吗？

3.浮力F=ρVg在任何情况下都适用吗？

    例3　如图5所示，天平是平衡的，放在天平两端托盘上的是两只盛水的杯子，B端杯子中有一木块，木块用线拴着，线吊在杯底上，若把线剪断，则木块受到水的浮力作用，开始匀加速上升，此时答案为（　　）。

    A.天平仍保持平衡　　B.A端升起

    C.B端升起　　　　　D.无法判断

    此题中认为木块受到水的浮力作用，开始匀加速上升，这是不准确的。

首先，当木块相对于水运动时，应考虑流体动力学，对于稳定流动的理想流体，沿一流线各点的压强、速度和高度三者的关系为：

。

其次，假定木块匀加速向上运动成立，则同体积的水匀加速向下运动，它们的加速度大小应相等，类似阿特武德机。

它们的加速度大小不可能大于重力加速度。

若按照浮力F=ρVg，木块作为加速运动，则ρVg-mg=ma，

，只要取

，有a＞g，这是不可能的。

    4.“跳环”实验能用中学物理中的电磁感应现象解析清楚吗？

    例4　“跳环”实验装置如图6所示。

将条形铁轭竖直（磨光面向上）放在U形铁芯的一个立柱上，套上线圈及铝环。

把线圈0～1600匝的两端接220伏特交流电源。

演示时，接通电源，铝环立即跳起，并可悬浮在铁轭上。

    图6

    笔者曾在听课中发现有教师对实验作这样的解释：

由于铝环中产生感应电流的磁场与通电线圈磁场方向相反，所以两者相互排斥。

    5.是“单摆”还是“复摆”？

    例5　一个半径为r的空心金属球壳内充满水后，用一根长为L的轻质细绳悬挂起来，形成一个单摆，如图9所示，若在摆动过程中，球壳内的水从球壳底端的小孔缓缓泄漏，则此摆周期为（摆角小于5°）（　　）。

    图9

    A.由于摆球质量与周期无关，可知周期不变，为

    B.由于摆长不断增大，可知周期由

不断增大

    C.由于摆长不断变化，可知周期由

先逐渐增大，后又减小，最后为

    D.由于水泄漏引起摆球速度变化，所以周期变化情况无法可知

    命题者认为水从球壳底端的小孔缓缓泄漏的过程中，相当于摆球的重心先下降后上升到原位置，相当于单摆的摆长先增大后减小到原长，故选C。

显然，命题者把“单摆”和“复摆”混在一起，考虑到摆球的大小，有时不能简单地将它作为单摆处理。

 6.这些数据合理吗？

 二、错误的原因分析及避免错误的对策

    从以上列举的常见科学性错误的实例分析来看，产生错误的原因是多方面的，现归纳如下。

    1.不合理的外推导致的错误

    外推在中学物理习题教学中有一定的作用。

例如，“人船模型”“子弹穿木块模型”，就是利用人在静止的船上前进，船则后退以及子弹穿木块问题中得到的一些结论外推到情境相同的问题中，使问题化繁为简，化难为易。

但是外推时，必须注意要合理外推，否则将出错。

在学生中，不合理的外推常常表现在乱使用物理模型、乱套公式。

在教师中不合理的外推就会在习题编制中出错，误导学生。

例如，我们知道沿不可伸长的杆的方向的速度是相等的，不能随意外推到沿不可伸长的杆的方向的加速度是相等；在直流电路中，串联电路的总电压等于分电压之和；在交流电路中，总电压不一定等于分电压之和；纯电阻电路总电压等于分电压之和，电阻和电感或电容串联时，总电压的瞬时值等于分电压的瞬时值之和，而有效值就不等于分电压有效值之和。

    2.物理规律适用范围变化导致错误

    任何物理规律都是在一定条件下才适用的。

例如，公式F=ρVg只适用于流体静力学。

只有在规律适用的范围内才可运用，牛顿定律只有在宏观、低速和惯性系中才适用，在微观高速的范围内，必须用相对论的观点解决问题。

    3.物理模型错误

    为了解决实际问题，往往从实际物理情境中抽象出物理模型，中学物理中都是理想化模型，例如单摆就是理想化的物理模型，如果把实际摆当作单摆，则摆球就应当作质点处理；如果实际摆不能当作单摆，则只能用复摆来处理。

能否当作理想化模型也是有条件的，例如弹性的水平面也是理想化模型，对宏观的小球来说是弹性的水平面，对微观的离子来说则不能抽象为弹性的平面。

小球在粗糙斜面上的运动就不能把小球当作质点，因为小球在斜面上的运动是滚动的。

    4.对实际问题的解释不全面导致错误

    中学物理就内容来说是简单的，通过学习可以解释有些自然现象、实验现象。

但是实际问题往往较复杂，有的现象的解释需要的知识面较广，我们可以让学生知道现象，课堂上不能解释的要明确告诉学生，可以让学生进行探究学习，但不能用简单的原理应付学生，如上述的“跳环”实验。

    5.脱离实际引起的错误

    物理学是一门实验科学，是理论和实验高度结合的精确科学。

物理实验或练习题的内容、数据等等都应当是符合实际的，编制习题时必须考虑数据的数量级，如上述的小球的带电量等。

    从产生错误的原因来看，出现科学性错误的原因是多方面的，笔者认为最主要的原因是缺乏物理知识的再学习，作为中学教师除了学习教学理论外，也要不断学习普通物理，否则随着教龄的增加，物理知识水平不断下降，最后只是一个高中生水平。

因此，避免科学性错误，首先，加强物理知识的再学习，要有清晰的物理图景。

其次，加强理论联系实际，注重实验教学，特别是设计和制作实验。

最后，在课堂教学中要注意“创新”与“科学性”的关系。