再谈物理概念的形成、分类与定义的方法.doc

再谈物理概念的形成、分类与定义的方法阴瑞华/崔乃忠【专题名称】中学物理教与学【专 题 号】G36【复印期号】2008年08期【原文出处】中学物理(哈尔滨)2008年7期第57页【作者简介】阴瑞华崔乃忠河北唐山师范学院物理系，063000物理概念是构成物理理论的重要基础，是学生掌握物理规律形成物理能力的核心。因此物理概念一直是教与学中的热点问题。本文从方法论的角度，再就物理概念的几个相关问题谈谈我们的认识。一、物理概念的形成过程物理概念是在大量观察和实验的基础上，运用逻辑思维的方法，把一些事物共同的、本质的特征集中起来加以概括而形成的，其形成的过程大致可以分为四个阶段（或者说四个心理活动形态）。以“弹力”概念为例加以简单说明。第一是感觉。这是认识的来源和出发点。人们凭借感官可以在极其简单的情况下，认识客观事物的某些个别属性。像用手提一桶水时，胳膊上的肌肉会收缩绷紧；弹簧下挂重物时会伸长；小朋友只有拉长橡皮筋才能把弹子射出去；挑水的扁担会弯曲这些毫无联系的现象，通过感官作用于我们，就叫感觉。第二是知觉。上述现象感觉多了，借助于比较和综合能力，通过归纳、综合上述现象的共同特征：即每种现象中都伴有物体形状的变化，这就是知觉。第三是观念。当人们的感觉和知觉积累得足够丰富时，可以达到：尽管没有直接看到或接触到实物或物理现象，只要听到别人讲出（或写出），“用手提一桶水”“用弹簧挂一个重物”我们的头脑中就会呈现出过去感觉和知觉到的现象，这便是观念。它是初步思维后在人们脑中留下的形象。第四是概念。在感觉、知觉的基础上并形成观念后，经过反复的比较、分析、抽象、概括，抛弃上述物理现象中的非本质的一些属性，如人的胳膊的粗细、水桶的材料、弹簧的颜色等，于是得出结论：当物体发生弹性形变时，它就对使它发生形变的物体产生力的作用，这种力的作用就叫“弹力”。概念已不是事物的现象，而是事物的本质。二、物理概念的分类方法一切事物都可以按其属性区分开来，并归入一定的门类，这种思维方法叫做分类。分类要遵守穷尽性原则和排它性原则。1.按物理概念的逻辑顺序分类，可以分为基本概念和导出概念基本概念是本身不必用其他物理概念来定义的概念，如长度、时间、质量、温度等。导出概念是在基本概念的基础上，借助于有关的规律及数学公式推导出的新概念，如速度、密度、压强、功、电场强度等。按物理概念的关系还可以分为上位概念，下位概念；种概念（大类），属概念（小类）等等。“种概念”也称“上位概念”，它与“属概念”（下位概念）相对，在具有从属关系的两个概念之间，外延较大的概念称为“种概念”，外延较小的概念称为“属概念”。例如，力为种概念，重力、弹力、摩擦力为属概念。2.按描述物理概念的方法不同，可以分为两大类一类是用词语直接表达的概念。如力、重心、点电荷、静电平衡、匀速直线运动、衰变等等。另一类是用数学语言表达的概念，常称为物理量。如加速度，动能，动量p=mv，电场强度等等。3.按物理概念所反映的物质或物质运动本质的不同方面，物理概念大致可分为4类(1)反映物质的本质属性这类概念的特点是其含义深刻，富有哲理性。如：惯性、质量、能量、电、磁、波粒二像性等。教学中应由浅入深、由表及里地通过循序渐进的过程来加深对概念的理解。如“质量”，一开始是很简单的，“物体包含物质的多少叫做质量”，但“物质的多少”究竟是何意思很难说得清楚。至于说它是物体的一个属性，是因为它不随物体的形状、状态、位置和温度的改变而改变，这一点比较好理解。随着知识的积累与发展，人们对质量这个概念有了更深的理解，知道了质量是惯性的量度，通过万有引力定律的学习，又知道物体质量的大小决定了物体间万有引力的大小。这样通过由浅入深、循序渐进的过程，人们才能加深对这一概念的理解。(2)反映物质的某种性质这类概念的特点是，它们都反映了物质或物质运动的某种“率”（快慢、本领）或某种特性，在定义时一般都是以两个物理量的比值来表示，但它们的大小又不依赖于这些相关联的量的大小。例如，加速度、密度、功率、比热、电场强度、电动势、电阻、电容等。其表示式一般可写成的形式。(3)反映物质间的相互作用关系这些概念的特点是与物质问相互作用密切关联，对于单个物质（物体）是毫无意义的。如力、力矩、压强、冲量、功、热量等。理解这类概念，要强调相互作用的物体。(4)一些描述物理现象的名称例如，匀速直线运动、圆周运动、形变、溶解、反射、静电感应、电磁感应、核反应、质量亏损等。这类概念的特点是：就其概念本身而言，并不难理解，难理解的是这些物理现象产生的原因、条件及规律。因此，应在观察大量的物理现象后，进行比较、分析、综合、概括、排除次要因素，抓住主要因素，找出所观察到的一系列现象的共性、本质属性，分析现象产生的原因、条件，做到既“知其然”更要“知其所以然”。4.为了建立概念体系，物理概念可以分为以下几类为了深入理解概念，还应找出概念与构成它的要素或与它相近的另一概念的异同点及联系，有利于建立一个完整的概念体系。概念体系包括：相邻概念（如静电场与重力场）；相似概念（如动量与动能）；相反概念（如力的合成与力的分解，正功与负功等），并列概念（如电场强度与电势）、从属概念（如电场强度与点电荷电场强度等）系列概念。三、物理概念的建立与定义方法建立与定义概念的方法主要有三类。第一类是“概念建立”人们在自己活动的范围内直接接触了大量的同类事物，从经验出发，通过初级的辨别、抽象、分化，提出一些假设，并经过验证和概括等思维过程，获得了这一类事物或现象的共同特征，并且通过有经验的“成人”或“权威”的肯定与否定的回答来加以证实，从而建立或定义某些概念。这样的概念一般的都是人为规定的或通过操作来定义。这种方法也叫做“概念建立”。第二类是“概念同化”利用头脑中已有的认知结构去联系新的知识，使新的知识在原有的认知结构的基础上获得心理意义。如果成功，便达到新的认知平衡，实现概念的同化。通俗地说，就是利用我们已经建立了的概念，再建立新的概念。例如，我们已经建立了路程（长度）s和时间t的概念，再利用已经学过的数学比值的方法，即可定义速度为，这个过程中没有新的知识。这种定义方法叫做“概念同化”。第三类是“概念顺应”如果我们要研究的新知识、新概念，与原有的知识差别太大，或者不易直接建立起联系，进行迁移，必须修改原有的认知结构，或建立新的认知结构，从而达到新的认知平衡。也就是说，利用已经有的概念，不能直接定义所研究的新概念，而必须另外先建立一些新的概念才可以定义此概念，这种方法叫做“概念顺应”。例如，学习“电压”时，学生已有的知识无法和它联系起来，只有进一步学习了电场、电势能、电势、电势差等其他知识以后，才能正确地建立电压的概念。定义物理概念的方法主要有以下几种。(1)操作定义法给一个物理量规定一套测量程序，并规定一个单位。当然选择“单位”是任意的，但应简单实用，尽量符合现代物理概念，而且固定不变，能制成模型，可以复制。(2)人为规定法在经验事实或观察实验的基础上，人们根据需要确定概念的方法。这种确定要符合实际，要能自洽于某一理论体系，同时要尽量简单，在可能的条件下还要照顾人们的习惯。利用词语定义的概念，例如，机械运动、参照物、入射角等都是人为规定的。(3)数学定义法（一般都是物理量）数学推导法根据已知的概念、规律，借助于数学推导而定义概念，例如，动能就是这样引入的，应用此法定义的概念一般是确定的，没有任意性，但有时“远离经验事实”。比值定义法所谓比值定义法，是用两个或多个基本的物理量的“比”来定义一个新的物理量的方法，其理论基础就是比较。用比值定义法定义的物理量分为两类，第1类是表征一定物体（或物质）自身的某种固有属性的物理量，属于性质量。例如，密度、电阻、电容、场强等，其不随定义所用物理量的大小取舍而改变，如确定的电场中某一点的场强是不随q、F而变的。第2类是描写物体（或物质）外在的状态、外在的作用强弱等，属于状态量、作用量，例如，压强、电流、功率、速度等都属该类。这两类比值量有着本质的不同。乘积定义法所谓乘积定义法，就是用两个或两个以上基本物理量的乘积来定义一个新物理量的方法。例如，力对物体所做的功W=Fscos；动量p=mv、冲量I=Ft、势能等。乘积法定义的特点与比值法不同，即所定义的物理量，往往与用来定义的几个基本量有关（或由它们决定）。公式变形定义法所谓公式变形定义法，就是根据已知的概念、规律，借助于数学推导而定义概念，或者是用已有的公式变形来定义一个新的物理量的方法。如，由电阻定律，电阻率=RS/l；根据牛顿第二定律和运动学公式可得，外力所做的功等。它们是通过研究各物理量之间的变化和依赖关系，总结物理规律得出物理公式，再对公式进行适当变形、分析某一个量是否反映物质或物体本身的属性或特征，从而定义一个新的物理量。要注意的是公式变形定义法的特点：一是被定