科学假学在中学物理教学中的应用Word文件下载.docx

1、Scientific hypothesis and its appliance in Secondary school physicsZhao pengDirected by Prof.Wu sao quanAbstract: Science and its scientific hypothesis, assumption, the characteristics of volatility and diversity in the development of human sciences play an extremely important role in the formation

2、of scientific theories, it is an important way, it is conducive to academic prosperity and inspire peoples creativity thinking.Development in physics also plays a decisive role. In this paper, the scientific hypothesis to talk about methods of physics and its application in the role of physics in se

3、condary schools.Key words: Scientific hypothesis; scientific; hypothetical; diversity; volatility; School of Physics; applications.目 录目录 21 问题的提出 32 假说的特征 42.1 假说具有猜测性 42.2 假说具有科学性 42.3 假说具有多样性和可变性 43 假说在科学发展中的作用53.1 假说是科学问题过渡到科学理论的桥梁53.2 科学假说是激发创造性思维的有效途径53.3 假说对物理现察和实验具有先导作用53.4 不同假说的“争鸣”有利于化学研究的繁

4、荣并促进科学的发展64 假说在中学物理中的教学策略 64.1 还原科学假说形成过程 64.2 探讨物理规律的研究思路 74.3 创建物理问题的等效模型 84.4 猜想实际问题的物理原理 94.5 充分利用教材上的假说挖掘假说的方法论思想 94.6 构建假说的基本方法114.7 创建“新假说”，解决新问题124.8 实施假说教学策略应注意的问题14参考文献161 问题的提出追溯科学的发展史，无不体现了科学发展的辨证规律和科学方法的指导作用，证明了科学假说的重要地位。科学假说方法是科学研究工作中的一种十分重要的手段，它是根据已知的科学事实和科学原理，对未知的事物及其规律的推断和假定，是一种带有推测

5、性和假设性的还未被实践所充分证实的理论思维。它在各门自然科学的研究发展中都发挥着重要的作用，在物理学的发展中也不例外。假说得以建立的前提是进取精神，而没有科学假说就不会有科学验证活动，进而就不会有科学的产生和发展。正如恩格斯所说：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。”当科学家在探索过程中遇到新问题或发现新现象时，他们既立足于已有知识，又不囿于传统的理论框架，而充分发挥自己的想像力和创造力，积极大胆地提出新思想或假说。可以说，正是这种进取精神，使科学家在探求真理的过程中不唯书、不唯上，不屈服于外来压力，也不迷信任何权威和现有理论，始终保持清醒的头脑，独立思考，敢于怀疑，大胆假设，勇于创

6、新。求实精神保证了假说的科学性，假说必须是可以被检验的，并经得起检验。对于人类的其他事业如文学、艺术或宗教，人们可以提出各种假说，它们可以具有高度创新性或神秘性，这也许没什么不合适，但在探索宇宙基础上形成的关于自然现象的假说，如果不通过检验证明它们是否有效，就无科学探究或科学活动可言。科学假说是否具有真理性，是否正确反映了客观世界的本来面目，需要科学实验来检验。经过科学验证，合理的科学假说被确立，错误的科学假说被抛弃。正是这种科学探究的求实精神，才使得科学假说或理论的真理性得以保证。也正由于此，它也成为科学之所以是科学、科学区别于宗教迷信和非科学的唯一标准。科学假说是一种复杂的理论思维形式，是

7、人们运用科学思维，根据已知的事实材料，对未知的事物及其规律所作的推断和假定，是一种带有推测性和假定性的理论形态，是没有经过实践充分证实的理论。作为一种理性思维的形式，假说是科学研究中重要的方法。在中学物理教学过程中，对21世纪知识经济时代中参与竞争的学生，培养探究形成假说的能力，严密思维能力和创新思维的能力是十分必要和十分紧迫的。本文就假说的作用及其在中学物理教学中有关假说的教学策略作一肤浅的论述，以期同仁指教。2 假说的特征2.1假说具有猜测性科学假说包含着对事物的本质和规律的猜测，在假说中不可避免的出现了假定、猜测、想象、虚构等成份，这些都是科学家大胆创造的结果，有待于日后的检验和论证，有

8、些假说可能被证伪而淘汰，也有些假说可能被进一步的修正、补充和完善，最后上升为理论。因此假说本身具有不完备性和有待验证性。假说之所以称为假说，就是因为它是一种“毛坯”，是具有一定猜测性的理论“预制品”，在未证实之前只能说是对自然现象及其规律的推断、猜测。假说只有通过实践检验和证明，才能上升为理论。例如，哥白尼的“日心说”，康德拉普拉斯的“星云假说”，“大爆炸宇宙说”，“黑洞假说”等等。近代物理中卢瑟福核式结构模型、玻尔量子假说等等，在未证实之前均为假说，不能看成是一种完美的理论。有的至今未上升为理论，因为未得实验的检验。2.2假说具有科学性假说虽然是一种想象或猜测，但它的提出不但要以实验材料与经

9、验事实为基础，而且要以科学理论为依据，经过实践检验和证明。所以假说不是无根据的猜测和幻想，不是主观臆造。假说一旦失去事实基础和科学依据，又未经受一定的实践或检验，它也就失去了存在的价值。卢瑟福的原子核式结构模型，虽然有其很大的缺陷，但是它有科学依据，又能经得起a散射实验的检验，能推算出原子和原子核的半径。玻尔的原子模型是在卢瑟福模型的基础上发展起来的，它克服了卢瑟福模型的某些缺陷，引入了量子化的概念，因而是更为合理的一种新的假说，但是它还是有自己的缺陷。因此每一种假说都有科学依据，但它又随科学的不断发展而“进化”。2.3假说具有多样性和可变性首先，对于同一种事物，可能会产生多种假说。在科学研究

10、活动中由于研究人员的经验不同、认识不同、研究的角度不同、实验观查的结果不同等等，使得研究人员对同一事物的研究可能存在多种假说，而这些假说中有些可能是合理的，有些是可能会被证伪的，有些可能是部分正确、部分错误，有些可能随着实践过程中的新发现而变化，随着争论的发展而修改，研究过程的客观事实使得假说具有了多样性和易变性。假说是一种被实践证实的东西，因而只有通过实践检验才可能成为真理而发展成一种理论，也可能成为谬误而被淘汰，也有可能被证实具有某种不完整性而发展成为一种新的假说。有时也通过相反的假说之间对峙和争论，形成一种变动更迭、新旧交替的局面，使假说得以发展。例如，关于太阳系演化的假说，18世纪康德

11、拉普拉斯提出了“星云假说”，到本世纪70年代又出现了“星子假说”、“陨星假说”、“宇宙大爆炸说”等，这些假说都有科学价值，因为都从某一角度反映了太阳系起源的可能性，都为解决太阳系起源作了贡献。关于光的本质，历史上出现了以牛顿为代表的“微粒说”和以惠更斯为代表的“波动说”的对峙与争论。两种学说争论都为揭示光的本性问题作出巨大贡献，最后为爱因斯坦的“光量子假说”所统一，给出了反映光的本性的“波粒二象性”的辩证图象。又如“以太”假说在科学事实面前证明是一种谬误，因而被人们抛弃。3 假说在科学发展中的作用假说作为一种重要的科学研究方法，在物理学中具有其它方法所不可替代的作用。其作用可以从图一表中看出：

12、3.1假说是科学问题过渡到科学理论的桥梁一部科学发展史，可以说是一部假说和理论不断更迭的历史。一个自然现象，在未被揭示出科学本质之前，人们对它的认识是很不完整的，甚至是片面的，只有借助于假说的形式进行研究与探索。当某一假说被科学事实证实时，它就有可能发展成为一种理论，而当事物发展过程中出现新的变化和科学事实与假说相矛盾时，又必须对该理论进行修改、补充才能圆满地解释事实，进而促进理论的进一步研究与发展。自然科学就是沿着假说理论新假说新理论的途径，不断的向前发展的。在物理的研究中，物理假说的形成和上升为理论也是一个十分复杂的过程。但是可以说没有假说，物理研究将无法取得进展。在物理研究中一般需要经历

13、四个阶段：第一，在实践过程中出现了一些现有物理理论无法解释或解释得不够完美的新事物或新问题；第二，依据现有的物理知识和实验事实，通过一系列思维过程，对于这些新事实、新问题作出初步的假定性解释；第三，利用有关理论和尽可能多的实验材料进行广泛的论证，使这个初步假定发展成为结构比较完整的科学假说。第四，经过大量的实践证实，假说成立，那么假说就上升为理论了。因此假说是物理学研究中理论发展必不可少的方法与桥梁。例如从黑体辐射问题的研究中出现的“紫外灾难”到1900年普朗克的量子假说，到1905年爱因斯坦“光量子假说”，到玻尔量子理论解释原子问题，建立旧量子论，到海森堡、薛定愕提出量子力学，再应用爱因斯坦

14、相对论提出相对论量子力学的整个量子理论的发展，无不体现了从假说理论新假说新理论的循环发展模式，而每一次的发展都是对前一层次理论（假说）的继承、完善和修改，又是后一层次理论（假说）的重要台阶。因此，只要物理学发展着，假说便是永远不可缺少的一座桥梁。3.2科学假说是激发创造性思维的有效途径假说是科学家对所研究事物的大胆探索，是创造性的猜测，是创新思维的体现，同时它又为这种创新思维的进一步发挥、对假说的进一步完善提供了一个平台，也是科学家进一步探索自然界本质和规律的一个动力和源泉。爱因斯坦把假说形象的比喻为猜谜，猜测一个设计得很巧妙的字谜。3.3假说对物理现察和实验具有先导作用假说在科学研究中具有一

15、定的猜测性。但不是盲目的无目的的猜测，而是科学的预测，有计划的研究。有了假说便有了有计划有目的实验和观察。因此假说对物理观察和实验具有先导作用。例如在天体物理研究中，1845年，法国天文学家勒维烈和英国天文学家亚当斯根据万有引力定律计算的天王星轨道的偏离值，预言有一颗新的行星存在。1846年9月23日，由柏林天文学家加勒在勒维烈预言的位置偏离1的地方果然找到了这颗新行星，并命名为海王星。又如1919年英国两个科学观测队按爱因斯坦关于光线通过太阳表面发生偏转的理论计算值所作出的观察，都是有计划的实验活动。3.4不同假说的“争鸣”有利于化学研究的繁荣并促进科学的发展首先，由于科学假说具有多样性和易

16、变性，使得不同假说出现“百家争鸣”的现象，这有利于各种假说相互补充、启发思考，揭露矛盾，这样可以使学术变得更加繁荣，甚至有利于促进理论的形成，推动科学的发展。其次，在研究中被证伪的假说对科学的发展也是有推动作用的。因为假说是以已有科学事实和科学原理为依据的，它原来必定收集了大量的珍贵事实或者甚至有部分正确的结论，这些都为新假说的成立减轻了负担。即便是错误的结论也可能成为新假说思考的动力、源泉而具有某种积极作用。例如，热素说虽然是错误的，但它对一些重要的科学成果的形成也产生了积极影响。比如热传导理论，卡诺循环和卡诺定理等，而这些成果都为关于热的分子运动论和热力学的产生准备了条件。总之，物理研究发

17、展中的科学假说充分体现了人们思维的创造力，当人们需要构造新的假说时，也就是人类科学向前发展迈出的第一步。纵观物理学的发展，就是假说的连续更替和假说的内容不断精确化、深刻化，不断向科学理论转化的过程。恩格斯在概括近代自然科学的发展离不开假说这一事实时指出：进一步的观察材料会使这些假说纯化，取消一些，修正一些，直到最后纯粹的构成定律。如果要等待构成定律的材料纯粹化起来，那么这就是在此以前要把运用思维的研究停下来，而定律也就永远不会出现。”这段话说明了假说的作用及假说形成和发展过程，它使人们不断地向真理迈进。4 假说在中学物理中的教学策略中学物理中假说的形成过程，受教师的教学思路、学生的认知结构与教

18、学设备的制约，学生自主探究程度可以不同。根据问题本身的特点，构建假说的过程和方法也有所区别。在物理探究式学习中培养学生构建假说的能力主要有以下策略：4.1还原科学假说形成过程在中学物理教材中有许多内容与科学假说有关，每个科学假说的发展都是从科学研究的矛盾开始的，解决这些矛盾的过程是物理学家灵活运用科学方法，深入分析事物内部本质联系的过程，体现了物理学家极强的思维能力，极丰富的创造力。在假说教学中应充分解剖科学假说的提出过程，让学生体会物理学家的思维方法。例如，散射实验发现，绝大多数粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但是有少数粒子发生较大的偏转，并且有极少数粒子的偏转超过了90，有的甚至几乎过达

19、到180，以此为基础建立卢瑟的原子核式结构模型，可按表一中步骤进行。表一：步骤构建的模型主要思想方法1原子内部绝大部分是空的推理2原子内有一个很小的核3核是带正电的4核的质量较大5带负电的电子在核外类比6电子必须绕核做圆周运动又如在学习人类对光本性认识发展史时，可对发展过程每一阶段作方法论探讨（如表二）。表二：对光本性的认识发展阶段根据的物理理论或事实运用的主要方法惠更斯提出光的波动说光与机械波一样能反射和折射牛顿提出光的微粒说光与弹性球一样能直进和反弹托马斯杨等人认为光是一种机械波衍射、干涉实验麦克斯韦预言光是一种电磁波电磁场理论理论的外推爱因斯坦光具有波粒二象性普朗克的光子假说德布罗意提出

20、物质波的概念光的波粒二象性逆向思维4.2探讨物理规律的研究思路楞次定律的探究式学习往往被设计成以下步骤：提出问题：研究感应电流的方向与什么有关？是什么关系？给出实验器材和表三（实际上也给出了实验步骤）；做相应实验及记录数据；讨论分析表中的数据，得出楞次定律。表六：N极插入停止N极拔出S极插入S极拔出原磁场方向原磁通量变化感应电流方向感应磁场方向这样一个教学过程，能在一定程度上体现学习的探究性，探究的重点是进行实验与收集证据，分析论证这两步。这个探究过程和结果还有下列疑问有待解决：为什么要做这样的实验？这个规律的表述是唯一的吗？这个规律的本质是什么？如果在实验前和分析数据前，对所研究的规律作一个

21、预见性的假说，能对探究过程起先导作用，会使探究的目的更明确，能有效地解决上述问题。由上述疑问可知，要揭示感应电流方向的规律和本质，要有一个假说明确讨论哪些量之间的关系，还要有一个假说预测这些量间有什么关系。首先提出问题：右手定则能判断导体切割磁感线时感应电流方向，但不适于所有的电磁感应现象，并且不能反映电磁感应的本质。哪些物理量间的关系能反映这种本质呢？监控一：直接研究电流方向，但很难找到感应电流方向与其他已知量间的直接关系；监控二：研究感应电流在磁场中的受力方向，可知安培力起阻碍相对运动的作用，阻碍相对运动可能是其中的规律，但与右手定则一样不是普适的；监控三：研究电流磁场的关系，深入分析可知

22、，电磁感应是磁通量的变化引起的，可研究磁通量的变化量。监控四：电磁感应过程是一个能量转化的过程，是否能从能量角度来分析感应电流的方向？这个思考过程明确了探究的途径和方向，并对实验结果作出了预测，还能在得到楞次定律后，引导学生由定律向低层次推出推论，向高层次总结出电磁感应的能量守恒本质。这样的探究过程在探究式学习中更有价值。4.3创建物理问题的等效模型例如，甲乙两个轻质弹簧原长均为20cm，劲度分别为k1=1000N/m，k2=500N/m，把它们分别按图二方式连接起来并用大小为20N的力拉，弹簧的伸长量分别是多少？这个问题可以用一般的受力分析方法加以解决，但利用模型来解决问题，物理意义会更明确

23、：与电阻的串并联类比，创建假说“串联（或并联）的弹簧可用一个等效弹簧代替”。预测：等效弹簧的劲度会大一点还是小一点？导出等效弹簧的劲度表达式。用模型解出该题。问题延伸：有多个弹簧串、并联该怎么办？通过创建模型解决问题，加深了对胡克定律和劲度的理解，还能帮助同学们轻松地解决同类问题，真正做到触类旁通。又如，内径为d，高为h的杯子，今有一小球，在杯口沿直径方向抛出，到达杯底时恰好在D点，如图三（甲）所示，求小球的初速度大小。这个问题用一般方法解决要用到斜抛知识，解决起来较困难。我们可以根据弹性碰撞小球的入射速度方向和反射速度方向的位置关系与反射定律类比，建立一个假说“小球每次碰撞前后的轨迹关于容器

24、壁成镜面对称”，加以适当证明后，运用这个假说可把小球的运动等效看成一次性的平抛运动，从而解决问题，如图三（乙）所示。这种解法具有新颖性和独创性。4.4猜想实际问题的物理原理在课题研究中会碰到许多实际问题，针对实际问题构建假说，既是对学生探能力的很好考查，更是探究训练的极佳机会。在2002年杭州市高中物理课题评比中，有同学在“汽车刹车防抱死系统”的研究中，根据汽车刹车车轮被抱死时出现的掉头、甩尾等现象，猜想“车轮由滚动变成滑动时侧向摩擦力减小”，并用图四所示的实验装置进行模拟，成功的研究了汽车ABS系统的工作原理。在学习中构建假说的目的，一是能为接下去的探究过程理清思路，二是构建过程本身就是一种

25、探究过程，是培养探究能力的重要环节。在实际教学中，通过还原科学假说的过程、探讨物理规律的研究思路、创建物理问题的等效模型、猜想实际问题的物理原理等方法让学生来构建假说，学生的科学素质得到了充分的培养，学生的科学研究能力得到了充分的锻炼。比如，在相关内容的教学过程中，有同学对摩擦力的本质进行思考，提出了“摩擦力是接触面间分子引力的宏观表现”的假说。也有同学对根据磁现象的电本质对地磁场的产生机制作了有益的探究。假说的构建过程对学生热爱科学、敢于质疑、勇于探究的科学精神的培养也是有益的。4.5充分利用教材上的假说挖掘假说的方法论思想中学物理（尤其在物理下册内容）中，有很多内容与假说方法有关或使用了假

26、说的方法。物理作为一门体现极强思维能力的实验科学，假说的方法是离不开的。特别是近代物理学的研究表现尤为突出。例如，狄拉克的迷人的磁单极于假说、安培分子环流假说、光的粒子说、光的波动说、普朗克光子说、爱因斯坦的光量子假说、汤姆生模型、卢瑟福原子模型、玻尔模型等等均为历史上极有影响力的假说，其中蕴含着极丰富的创造力，有科学家们的科学思想方法。4.5.1假说在解决矛盾、解释事实中的方法论思想科学发展是有其自身的规律的，一个伟大的发现不仅与科学家自身的努力有关，更与当时科学群体、社会经济发展水平、科学技术的综合水平有关。一个假说的发展不可能与科学研究的历史相隔离，可以说每一个假说的发展都是从科学研究的

27、矛盾与困难开始的。在研究解决这些矛盾的过程中运用分析、综合、抽象、概括、科学推理、类比、臻美、等效等思维方法，合理地提出假说。如原子物理一章中介绍原子理论发展时必须如数家珍般地列出每种模型的特点、可解释的物理事实及其存在的矛盾，尤其是研究存在的矛盾，是提出新的假说的开始。我在原子模型的教学中向学生提出这样一些问题并与学生一起展开程序式的讨论。师：汤姆生为什么要提出“枣糕”模型？生：为了解释电子的发现。汤姆生模型能解释a散射实验的结果吗？不能。为了解释粒子散射实验，我们能否设想一个原子模型呢？依据是什么？a粒子散射实验的结果。从a粒子散射实验中“绝大多数”、“少数”、“极少数”、“有的甚至”，可

28、猜测出原子模型的空间尺度对比吗？如何估算出原子核式结构模型中原子和原于核的大小的数量级之比？（这是一种由“果”推“因”的思维模式。）师生互相讨论：绝大多数a粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进，说明原子内部绝大多数是“空”的；极少数a粒子发生大角度偏转，说明粒子碰到了带正电的，且质量较大的东西，而且这东西很小。由此猜测的模型是怎么样的呢？中心是一个质量较大的核，其周围是电子。带负电的电子如何才能与带正电的核保持一定的距离？只有绕核旋转。卢瑟福的模型可解释a散射实验，但它又遇到了哪些矛盾？（1）原子发光的频率。根据卢瑟福的模型原子光谱应该是连续的，但事实上是明线光谱。（2）原子结构的稳定性问题。按卢瑟福的模型，由于电子加速运动而不断地发射光，那么由于系统能量不断减小，电子的轨道半径不断减小，则最后电子将落到原子核上。事实上原子结构稳定吗？稳定。那么是事实出了问题还是卢瑟福模型出了问题？如果您是玻尔，您如何解决这个问题？卢瑟福的模型必须修改。卢瑟福模型有哪些