高中物理教学论文 试论物理学科能力的三个层次

用心 爱心 专心1 试论物理学科能力的三个层次试论物理学科能力的三个层次 国家教育部考试中心副主任应书增先生在答记者问中读到物理学科能力的三个层次为 知 其然 知其所以然 举一反三 前几年 国家教委考试中心的 物理科高考说明 中把物理学科能力归纳为五个方面 即 理解能力 推理能力 分析和综合能力 运用数学处理物理问题的能力以及实验能力 应先生的 三层次说 是对 五方面论 的发展和完善 并且语言更简洁 大众易记易懂 五方面论是对物理学科能力的横向展开 具体阐释 三层次说是对物理学科能力的纵向说明 五方面是并列的 三层次是递进的 一层比一层高 本文试图结合高中物理对 三层次 加以 理解和说明 一 知其然一 知其然 理解物理概念和规律的内容和表达 理解物理概念和规律的内容和表达 物理概念 是物理知识的概括 是物理推理的语言 是物理实验的结晶 学习物理 首先要理解概念 而不是背定义 要理解概念 必须知道该概念所描述的物理对象 物理定义 了解它的来源 知道它的定义 单位 是矢量还是标量 是状态量还是过程量等等 还要知道 它与其他相近 相似物理概念的区别与联系 例如加速度这个概念 首先要知道它是表示物体 运动状态变化的快慢的物理量 物理定义 它的表达是通过速度的变化与时间的比值来实现 的 即单位时间内速度的变化 它的定义式是 a t 0 t 它的单位是米每二次方秒 不可读米每平方米 更不能读为每平方秒米 字母为 m s2 写作米 秒 2 它是矢量 它的 方向是速度变化的方向 它是状态量 与某一时刻相对应 要注意加速度与速度的区别 速度 表示物体运动的快慢 加速度不表示运动的快慢 某物体运动时 速度大加速度不一定大甚至 可为零 如高速匀速运动的列车 很大 但 a 0 加速度大速度不一定大 如枪瞠中运动的 子弹 加速度很大 其速度直到飞出时才很大 再如竖直上抛的物体 上升到最高点时 速度 为 0 加速度为 g 用心 爱心 专心2 对于物理规律 包括定律 定理和公式 要理解它的适用范围 条件 及结论 知道它的 表达 文字表述 公式表达和图象表示 理解规律中各个物理量之间的变化关系及每个物理 量的含义 字母及单位 还要知道是矢量式还是标量式 例如动量守恒定律 它的适用条件是 系统不受外力或所受外力合力为零或者外力合力远小于内力 其适用范围非常广泛 从宏观到 微观 从低速到高速 从 个物体的系统到多个物体的系统 从正碰 同一直线 到斜碰 从 碰撞 打击到反冲 爆炸 因而是自然界最普遍的规律之下 它在两个物体正碰条件下的表达 式为 m1 m2 2 m1 m2 2 此式为矢量式 在应用中先选定正方向 然后用 号表示其方向 可用代数运算代替矢量运算 动量守恒定律与机械能守恒定律的 区别 一是条件不同 前者是合外力为零 后者是系统外力不做功并且系统内力中只有重力和 弹力做功 也就是没有摩擦力等做功 二是表达式的意义不同 前者为矢量式 后者为标量式 二 知其所以然二 知其所以然 了解物理概念和规律的来龙去脉 了解物理概念和规律的来龙去脉 物理概念和规律 在物理学史上有其产生和发展的过程 了解这个过程 有利于深入 理解这些概念和规律 也有利于培养学生的科学思维能力 象物理学家那样思考物理问题 在物理教材和物理教学中 物理规律的来源主要有三种 一是实验列出 如牛顿第二 定律 欧姆定律 法拉第中磁感应定律 光的反射和折射定律 气体三定律等 二是推理得出 一般教材中是用已经学过的知识 定理 定律 来推导新的规律 如牛顿第一定律 万有引力 定律 动量守恒定律 机械能守恒定律 气态方程 洛仑兹力公式 透镜成像公式等 三是不 加推导而直接告诉学生的 如单摆周期公式 爱因斯坦光电效应方程和质能方程 mC2 对于第三种 要尽量用实验去介绍 甚至学生动手做实验去体验 对于第二种 不仅教师 用心 爱心 专心3 要详细讲解 学生也要在认真听讲和读书的基础上自己能够推导或论证 这不仅能够培养学生 的推理 论述 表达能力 还能使学生对此规律的理解更深刻 例如带电粒子在硬物中所受洛仑兹力公式 f Bq 与 B 垂直时 是由安培力公式 F BIL 推导出来的 而后者是从实验中得出的 推导过程如下 设在一匀强磁场中 垂直于磁场方向放入一段长 l m 的通电导线 导线中自由移动电荷 的密度为 n 即单位体积内电荷数 每个电荷的电量为 q C 定向移动的速度是 m s 因 此 截面 A 右侧 t m 长的导线中的自由电荷 在 t s 内全部通过截面 A 如图 A B 间为 导线 L 的一部分 这些自由电荷的电量 Q q ns t S 为 A B 截面面积 m2 根据电流 强度的定义 导线中的电流 I Q t 即 I qns 磁场对这段导线的作用力 安培力 为 f BIL Bnqs L 而长度为 L m 的导线的运动电荷的总数为 N nsL 所以单个运动电荷受到的力为 f F N 将 F 及 N 代入得 f Bq 这就是洛仑兹力公式 通过这个推导过程可以看出 安培力是洛仑兹力的宏观表现 洛仑兹力是安培力的微 观原因 这样 对安培力和洛仑兹力都有一个更深入的理解 三 举一反三三 举一反三 将物理原理应用于生活 生产和科学技术实际将物理原理应用于生活 生产和科学技术实际 人们认识世界的目的是改造世界 认识物理规律的目的也是为了应用这样规律于生产 生活和科技实践中去 分析和解决问题 作为高考 考查学生是否理解物理概念和规律 是否知其然 并且知其所以然 也不 是叫学生直接背诵 默写这些概念和规律的定义或公式 而是用它们去分析和解决问题 这是 对学生能力要求的第三层 也是较高的层次 用心 爱心 专心4 例如 2000 年高考江苏省 3 X 中 理科综合能力测试题 第 29 题 如图 所示 厚度为 h 宽度为 d 的导体板放在垂直于它的磁感应强度为 的均匀磁 场中 当电流通过导体板时 在导体板的上侧面 A 和下侧面 A 之间会产生电势差 这种现象称 为霍尔效应 实验表明 当磁场不太强时 电势差 U 电流 I 和 B 的关系为 U KIB d 式中 的比例系数 k 称为霍尔系数 霍尔效应可以解释如下 外部磁场的洛仑磁力使运动的电子聚集在导体板的一侧 在导 体板的另一侧会出现多余的正电荷 从而形成横向电场 横向电场对电子施加与洛仑兹力方向 相反的静电力 当静电力与洛仑兹力达到平衡时 导体板上下两侧之间就会形成稳定的电势差 设电流 I 是由电子的定向流动形成的 电子的平均定向速度为 电量为 e 回答下列问题 达到稳定状态时 导体板上侧面 A 的电势于下侧面 A 的电势 填高于 低于或等于 电子所受的洛仑兹力的大小为 当导体板上下两侧之间的电势差为 时 电子所受静电力的大小为 由静电力和洛仑兹力平衡的条件 证明霍尔系数为 k 1 ne 其中 n 代表导体板单 位体积中的电子的个数 前 问答案分别为 低于 f Be F e h 为节省篇幅 不详述 据题给公式 kIB d 得 k Ud IB 据电子所受静电力与洛仑兹力平衡条件有 用心 爱心 专心5 Be Ue h 得 B h 据电流强度的定义 q t 设图 中导体板长度为 l 则 q ne nehdl 又 l t 解以上 式得 k 1 ne 看着以上的解答 似乎此题不难 但在考场上 许多考生不会做这道题 特别是第 问 究其原因 一是对霍尔 Hool 效应和霍尔系数 因为中学物理教材中没有 初次接触 感到陌生 二是不能回想与此有关的知识和方法 假如考生想到了洛仑兹力推导的过程和方法 用迁移的方法去解此题 是不会感到无从下手的 整整 10 年后 2010 年高考北京卷又出现了类似的题目 2010 年高考北京卷第年高考北京卷第 23 题题 18 分 分 利用霍尔效应制作的霍尔元件以及传感器 广泛应用于测量和自动控制等领域 如图 1 将一金属或半导体薄片垂直置于磁场 B 中 在薄片的两个侧面a b间通以 电流I时 另外两侧c f间产生电势差 这一现象称霍尔效应 其原因是薄片中的移动 电荷受洛伦兹力的作用向一侧偏转和积累 于是c f间建立起电场 同时产生霍尔 电势差 当电荷所受的电场力与洛伦兹力处处相等时 和 达到稳定值 的 大小与I和B以及霍尔元件厚度d之间满足关系式 HH IB UR d 其中比例系数 称为 霍尔系数 仅与材料性质有关 设半导体薄片的宽度 c f间距 为l 请写出 和 的关系式 若半导体材 用心 爱心 专心6 料是电子导电的 请判断图 中c f哪端的电势高 已知半导体薄片内单位体积中导电的电子数为 电子的电荷量为 请导出霍尔 系数 的表达式 通过横截面积 的电流InevS 其中v是导电电子定向移 动的平均速率 图 2 是霍尔测速仪的示意图 将非磁性圆盘固定在转轴上 圆盘的周边等距离地嵌 装着 个永磁体 相邻永磁体的极性相反 霍尔元件置于被测圆盘的边缘附近 当 圆盘匀速转动时 霍尔元件输出的电压脉冲信号图像如图 所示 若在时间 内 霍尔元件输出的脉冲数目为P 请导出圆盘转速N的表达式 利用霍尔测速仪可以测量汽车行驶的里程 除此之外 请你展开 智慧的翅膀 提出另一个实例或设想 23 答案与解析 1 由 HH IB UR d IB d H H U R 当电场力与洛伦兹力相等时 e H EevB 得 H EvB 又l HH EU 将 代入 得 1 H ddld RvBlvl IBnevSneSne 2 a 由于在时间 t 内 霍尔元件输出的脉冲数目为 P 则 P mNt 圆盘转速为 P N mt b 提出的实例或设想 代替打点计时器做实验 可测速度 可见 重视对物理规律的推导和证明 不仅可以加深对规律和理解和认识 而且可以从 中学习教材对物理问题的处理方法和思考思路 用心 爱心 专心7 可惜的是 目前的物理教学界 有的老师在讲概念和规律时匆匆带过 而腾出大量的 时间去做练习 企图从大量的习题练习中去巩固规律 或从纠错中去理解规律 事实表明 如 果开始学习时学生头脑中对概念和规律印象不深或造成误解 再通过练习去纠正 是事倍功半 甚至事与愿违的 如在关于洛仑兹力的知识点中 许多同学不知道或不记得公式的推导 但对 据洛仑兹力公式 f Bq 推导出的带电粒子在磁场中作圆周运动的半径公式 e m qB 和周期 公式 T 2 m qB 记得很熟并能用之解大量的习题 笔者大多年的高三物理教学中作过尝试 叫高三学生到黑板上去推导高三 高二学过 的物理规律 如 用气体三定律中的 个定律推导气体状况方程 对