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定性分析在中学物理中的作用金道明摘要：长期以来，中学物理教学中一些教师偏向于定量化的计算，使得学生缺乏定性分析的能力。定性分析就是粗略的分析某个事物的性质。在物理学中，定性分析可以确定物理研究对象的性质，分析物理量的变化范围。定性的分析更能突出物理的思想和方法，在物理教学中有助于培养学生的物理直觉，使学生的思维清晰，在解决物理问题的时候能够事半功倍。本文列举了图像法，类比等效法，估算法，极端思维法，对称法等几种常见的定性分析方法，意在提高师生在物理教学中对定性分析的重视。关键词：定量化；定性分析；方法；物理教学1 引言物理学是一门实验学科，在物理学的实验中，实验数据越精确越好，数学推理越严密越好。数学的巨大进步，使物理学得到高度的发展。数学为描述物理规律提供了简明精确的语言，使抽象的物理概念得以规范化。可见，物理学是一门定量的学科。 卢瑟福说过一句话“定性就是不够定量化”。许多人认为，定性是迫不得已的选择，物理应该追求高度精确的定量化分析9。然而，定量与定性在物理学中具有着不可分割的关系。我们解决物理问题的过程就是对一些物理量的关系进行分析的过程，根据研究的细致程度，可分为初略的定性分析、半定量分析和精确的定量分析。在进行高度准确化和数学化的计算之前，往往需要先进行定性分析，找到物理过程的本质，排除表象的干扰，建立起物理模型，然后再根据所遵循物理规律进行定量化的计算。在物理学的发展史上，一些重大的突破往往是物理学家根据实验现象先进行了定性的研究分析，对物理现象获得比较全面的理解和判断之后，再进行比较精确的定量化研究。可见，在物理学中定量化计算和定性化分析是相互依存，不可分割的!长期以来，中学物理教学中一些教师偏向于定量化的计算，使得学生缺乏定性分析的能力12。一些学生认为，定量化分析才是高级的，正确的，而定性分析是勉强的，低级不可取的。因此，他们面对一个物理问题重视急于找到一个物理公式去套上去，总是试图通过数学的计算去得到确切的结果，而对于物理过程的本质缺乏认识，对物理概念模糊，对物理现象过程中的情景和逻辑关系在心中没有明确的认识，一旦遇到无法套公式的问题，就束手无策了。这是应为他们缺乏基本的定性分析，对物理过程无法形成物理图像，所谓“一叶障目，不见泰山”。定性分析就是粗略的分析某个事物的性质。在物理学中，定性分析可以确定物理研究对象的性质，分析物理量的变化范围8。定性的分析更能突出物理的思想和方法，在物理教学中有助于培养学生的物理直觉，使学生的思维清晰，在解决物理问题的时候起到事半功倍的效果。当一位成熟的物理学家进行探索的科学研究时，常常从定性或半定量的方法入手他们通过定性和半定量的估算，力求对问题的性质、解的概貌取得一个总体的估计和理解1。可见在中学物理教学中定性分析具有重要的地位，对学生学习和研究物理具有重要意义。2 物理学中定性分析的常用方法在物理教学中应该有意识的培养学生定性分析问题的能力，了解并掌握定性分析的一些常用方法，这样不经可以培养学生定性分析物理问题的能力，还可以加深学生对物理问题的理解，让他们对物理问题有一个宏观的理解。定性分析问题能力的培养有利于学生对物理进行整体把握，避免学生陷入胡乱套公式的困境，提高他们的思维水平，让学生在脑海里形成物理情景的图像。下面举例介绍几种常见的物理学中定性分析问题的例子。2.1图像法由于图像在中学物理中能直观的描述物理过程，反应物理量的变化趋势，能形象的表达物理规律，反应物理量之间的相互关系，所以利用图像分析问题的方法在物理学中有着广泛的应用。【例1】汽车正以10m/s的速度在平直的公路上前进，突然发现正前方有一辆自行车以4m/s的速度做同方向的匀速直线运动，汽车立即关闭油门做加速度大小为6m/s2的匀减速运动，汽车恰好不碰上自行车，求关闭油门时汽车离自行车多远？解法一：此题可用如下数学方法解，需一系列公式求解：汽车减速到4m/s时发生的位移和运动的时间分别为： s汽=V汽2-V自22a=100-1626m=7m,t=v汽-v自a=10-46s=1s这段时间内自行车发生的位移：s自=v自t=4m汽车关闭油门时离自信车的距离：s=s汽-s自=7m-4m=3m此题用数学方法解有点麻烦，在追击、相遇问题中涉及两个物体的运动，如果能发挥v-t图像能直观反映物体运动情况的优势，可以帮助我们更好的分析物体的运动关系。用图像定性的分析问题，使解题事半功倍。 解法二： 利用v-t图像进行求解，如图所示： v/(m.s-1) 10B4 A O t t/s 直线A、B分别是汽车与自行车的运动图线，其中划斜线部分的面积表示当两车速度相等时汽车比自行车多发生的位移，既为汽车关闭油门时离自行车的距离s.图线A的斜率即为汽车减速运动的加速度，所以应有： S=12v汽-v自a.(v汽-v自)=(v汽-v自)22a=3m2.2特殊值法与极端思维法复杂问题简单化是解决物理问题的有效手段。通过赋值法把复杂的，不明朗的条件推向最简单的过程或状态，可以使抽象问题具体化，变不可见为可见。特殊值法在中学物理中具有独特而灵活的作用。【例二】物体从粗糙的斜面的底端，以平行于斜面的初速度v沿斜面向上运动，则下面说法正确的是（ ）A. 斜面的倾角越小，上升的高度越大B. 斜面的倾角越大，上升的高度越大C. 物体的质量越小，上升的高度越大D. 物体的质量越大，上升的高度越大解法一：按照常规的思维方法设斜面的倾角为,物体与斜面间的动摩擦因数为,物体质量为m.mgsin +mg cos =ma物体沿斜面上升的加速度是 a=g(sin+ cos)物体沿斜面上升的长度是：l=v22a物体沿斜面上升的高度是： h=lsin=v22g(sin+ cos ) sin =v22g(1+ cot ) ,所以B选项正确。可见，此题以一道选择题的身份，如用定量的数学计算有点繁琐，如果用赋值法进行定性分析，可以达到剑走偏锋的效果。解法二：根据极端思维方法赋以特殊值先更具定性的分析，得出机械能损失越少，上升高度越大。赋一特殊值，若斜面倾角为90度时，物体做竖直上抛运动，是最简单条件的物理过程，物体受到的摩擦力等于零，这是没有机械能损失，所以上升高度最大。所以只有B选项正确。应用极端思维方法的关键是要根据实际情况，灵活选择变量。选出的变量要在变化过程中存在极值，根据这个极值把问题推向最简单的物理状态。可见定性的分析物理问题，可以从整体和大局上把握物理过程，强化物理思维，培养学生的物理感觉和学习兴趣。2.3类比法与等效思维类比法在中学物理中处处可见，所谓举一反三，触类旁通就是这个道理。类比就是一种根据两个对象在某个方面相似而推理出他们在另外的一些方面也具有相似的规律的一种思维。我们通过类比那些熟知的具体的事物，去发现那些未知的抽象的事物的性质和规律。在物理学的发展史上有很多伟大的发现都是通过类比法得到的启示。例如，古希腊科学家阿基米德在洗澡时，感到体重减轻，水盆内水位上升而找到了鉴别王冠是不是纯金的方法，通过类比的方法得出了浮力定律；牛顿通过苹果从树上落下的启示，发现了万有引力定律（ F=Gm1m2r2 ）；无独有偶，法国科学家库伦在研究电荷之间的静电力是，发现静电力与万有引力之间十分相似，运用类比法得出了库伦定律（ F=Kq1q2r2 ）.在中学物理中，类比法处处可见，如水流与电流，电势与重力势能，电量与质量等等。在分析物理问题的过程中，经常通过现象类比，过程类比，模型类比，方法类比，结论类比的步骤来解决物理问题。例如，在学习带电离子在均匀电场中的运动的过程中，我们通过与平抛运动的类比，发现带点离子的运动是类平抛运动，只不过加速度不是g,而是a=Eqm.除此之外，两者分析的方法和运动的过程都是相似的。【例三】如图所示，为了测量凹面镜凹面的半径R,用一个半径为r的光滑玻璃球放在凹面内做振幅很小的振动。经测量，小球完成N次全振动所用时间为t秒，则此凹面镜的凹面半径为多少？（重力加速度为g） 解：此题看起来条件不够，好像凹面的半径与小球的振动无关。其实将该问题类比为单摆的运动，问题就简单了：凹面的半径相当于单摆的摆长。根据公式有：T=2Rg .而此时T=t/N.则得出结果R=gt242N2 . 由此可见类比法与等效思维在中学物理的学习和解题过程中处处可见，在物理教学中应该重视类比法的运用。2.4估算法 对物理量的数量级大致估算的方法称作估算法。比之常规的计算，它虽不是精确严密的求解，但其推算是合理的近似，可以避免陷入繁琐演算的困境，找到简明的思考方法。更有利于培养学生思维的敏捷性和解决实际问题的能力。在中物理教学中应培养学生一定的估算能力。【例四】美国天文学家宣布，他们发现了可能成为太阳系第十大行星的以女神“塞德娜”命名的红色天体，如果把该行星的轨道近视为园轨道，则它绕太阳公转的轨道半径为地球绕太阳公转轨道半径的470倍，是迄今为止发现的离太远最远的太阳系行星，该天体半径为1000km,约为地球半径的1/6.由此可以估算出它绕太阳公转的周期最接近（ ）A.15年 B.60年 C.470年 D.104年解：根据万有引力提供行星做圆周运动的向心力可知GMmr2=mr42T2.所以行星做圆周运动的周期Tr3GM ,所以T星T地=r星3r地3=470310000.所以选项D正确。2.5对称性 自然界和自然科学中，普遍存在着优美和谐的对称现象对称性就是事物在变化时存在的某种不变性物理中对称现象比比皆是，对称的结构、对称的作用、对称的电路、对称的物和像等等一般情况下对称表现为研究对象在结构上的对称性、物理过程在时间上和空间上的对称性、物理量在分布上的对称性及作用效果的对称性等对称性是事物具有的一种客观不变性。【例五】如图所示，一个半径为R的圆环均匀带电ab为一段极小的缺口，缺口长为L（LR），圆环带的电荷量为QL 在圆心处放置一带电量为q的负点电荷，试求负点电荷受到的库仑力。解：本题的带电圆环不能当做点电荷，学生往往找不到方法，我们可以先来讨论一个封闭的圆环的情况。 a b 如图所示，再换上任取对称的两点（或两小段）P，对点处的负电荷产生吸引力FP，同样Q对O点处的负电荷产生吸引力FQ，这两个力大小相同，方向相反，合力为零。同理还可以取PQ.等等相互对称的点，都具有相同的结论。而圆环正是由无数这样的点组成的，不难发现，在这样的圆环中心处的点电荷受力为零。再回到例题图，只有与ab缺口相对称的一小段没有与之相对称的对象存在，因此处于O点处的点电荷受到的力就是与ab缺口相对称的一小段ab对他产生的吸引力，由于ab很短，可以将其视为点电荷，其带电荷量为，由库伦定律可得受力方向指向ab.在物理学中，对称法解题是一种常用的方法，对称法解题具有简洁方便的特点。从科学思维方法的角度来讲，对称性最突出的功能是启迪和培养学生的直觉思维能力用对称性解题的关键是敏锐地看出并抓住事物在某一方面的对称性，这些对称性往往就是通往答案的捷径。3 结束语 在中学物理教学中，教师应该努力教导给学生的学习和解题习惯应该是：先仔细理解题意，再做定性的分析；最后做定量的计算。要防止学生陷入定量化数学计算而全无物理思维的泥潭。授之以鱼，不如授之以渔11！在教学过程中应注重培养学生分析问题的能力，提高他们对物理问题本质的洞察力，培养学生的物理学习兴趣。 定性分析是在中学物理教学中非常重要而又容易忽视的一种重要的手段，它也是学生在学习成长过程需要掌握的一种素质。作为教书育人，答疑解惑的老师要注重对学生定性分析能力的培养。参考文献1 赵凯华.定性与半定量物理学M. 高等教育出版社.1991 .2 常亮.定性分析法在中学物理中的应用J.中学教学参考. 2010.（09）.3 周麒.从物理问题的定性分析培养学生的思维能力 J. 中国教育技术装备.4 张维强.物理教学中对学生定性推理能力的培养J.四川教育学院院报.2002.(12).5 付爱明.类比法在物理解题中的的应用J.物理教师.2011.(09).6 从建明.运用定性分析方法解决初中物理问题J.中学物理.2003.(06).7 陈荣华.物理学中类比的作用J.江西教育学院学报（自然科学）.1999.(06).8 张侣洲.重视中学物理教学中定性和半定量分析法J.中学物理教学.2010.(01).9 黄均平.试论定性分析在解答物理问题中的重要意义J.理化生教学与研究.2008.(09).10 岳守凯.定性与定量