深化物理公式 提升科学思维

◎张洁 魏俊枭

在新的标准中提出了物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任为物理学科核心素养。在物理教学中采用多种教学方式，激发学生独立思考和创新的意识，切实提高教学质量。要让学生经历感受、理解知识产生和发展的过程，培养学生的科学精神和思维创新习惯，重视提高学生收集处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力、语言文字表达能力及团结协作和社会活动的能力。

物理学是研究自然界物质运动的一般规律和物质基本结构的科学，物理学中包含了丰富的哲学思想和科学方法，最能体现出对客观世界的科学态度，也最能影响学生的思想品质、心理素质、良好个性。在物理学中起重要作用的物理公式，它的内容含盖了重要的物理概念、基本原理。它使物理学成为结构严谨，可测性强的实用科学，它与数学知识的结合，对探索物理世界提供了广阔的天地，所以，物理公式的教学也自然成为了物理学中的重中之重，深入发掘物理公式中的科学内涵，将成为提升学生的科学思维素养的重要途径。

一、构建物理模型，体悟公式适用条件

物理公式是物理规律的简洁表达形式，而物理规律的建立并不是针对一个实际问题，而是从实际问题中所抽象出来的物理模型。而在我们以往的教学中往往只注重公式本身的应用，而忽略了公式本身所适用的条件，导致学生对物理学习的认识就只有物理公式。因此在教学中应让学生经历模型的构建过程，体悟公式的适用条件，以效提升学生科学思维素养。

例如，在学习理想变压器规律U1/U2＝n1/n2时，不急于通过变压器研究电压和匝数的关系，而是现建立理想变压器模型。

演示一：如图所示，将变压器的两个线圈并排放置，观察小灯泡亮度。

提出问题：不改变输入电压，怎么能让灯泡更亮？

演示二：如图所示，将变压器的两个线圈并排放置，观察小灯泡亮度。

提出问题：不改变输入电压，能否让灯泡更亮？

演示三：如图所示，将变压器的两个线圈并排放置，观察小灯泡亮度。

这样逐步分析，建立理想变压器模型，再进一步研究电压与匝数的关系，体悟公式适用条件为理想变压器。

二、经历公式形成，体验科学推理

物理学作为自然科学的一门基础理论，不仅在于它拥有广阔的自然科学基础知识，更重要的是它拥有丰富的科学方法。科学方法是人在认识和改造世界的实践活动中总结出来的正确的思维方式和行为方式，掌握科学方法，并把它迁移到实际工作中解决具体问题，更使人终身受益。

物理公式确定了物理量间的定量关系。内容涉及到物理概念、规律以及物理的理论是表达物理内涵与联系的最简洁最有用的一种公式。物理公式的建立过程也和物理概念、规律形式过程一样，都是人类宝贵的财富。都是通过观察自然现象，以及典型的生活实例为基础，提出研究的问题，设计针对性的实验，再进行有控观察，在观察和实验的基础上进行科学假设，通过比较分析、综合归纳，最终抽象出事物的本质属性，以及各物理量间的本质联系，用简洁的科学语言——公式或方程表达出来。这就是物理公式形成过程的一般方式。例如“电场强度”的定义公式的建立过程。第一阶段：通过现象观察，提出研究问题，人们发现带电的物体在电场中会受到电场力的作用，并且电场力F与电荷的电量q及电场中所在的位置有关。第二阶段：有目的地进行实验，作定量研究阶段，在静电场中某一位置放入试探电荷q1受到地电场力为F1；把q1移去，在该位置放入试探电荷q2受到的电场力为F2；不难发现，，于是在静电场中某一点电荷所受电场力F与电荷量q的比值是一个定值。第三阶段，由前两个阶段的研究表明，静电场中某一位置存在一个能显示电场力的属性。这种属性既能体现电场中同一位置电场力与电量的比值相同的特点，也能体现电场中不同位置电场力与电量比值不同的特点。抽象出电场强度的定义式。概而言之，从概念及物理公式的形成过程中突出表现了以下方法：

三、理解公式本质，提升分析能力

物理公式作为物理概念、物理规律的一种重要表现形式，在物理学中占有相当重要的地位，是其他表达形式（如文字表达，图像等）不能代替的。正因为如此深刻理解物理公式是解决实际问题的关键，是应用数学知识于物理公式的基础，同时也是提升学生分析能力的一种重要途径。

首先，要能正确区分物理公式中物理量的可变性与不变性。所谓可变性，指某物理量的本质属性是构成物理量的因素发生变化而引起的变化，如电阻定律中，导体的电阻由导体的长度L，横截面积S及导体的电阻率ρ这三个因素决定，当其中的某个因素发生变化时，都会导致电阻R的变化。所谓不变性，指因存在某种性质而体现出的对有关方面进行限制，当被限制的方面变化时并不会改变该物理量的本质属性。如对欧姆定律的变形式，是由于导体已经存在电阻这种属性而导致导体两端加上电压U时，电阻R对电流强度I的值进行限制，但U、I的变化并不能引起R的变化（忽略温度变化对电阻的影响）。通常把前者称为决定式，后者称为量值式，正确理解不变性是灵活应用可变性的前提和基础，只有把握好物理公式的可变性与不变性，才能更好地理解物理公式，提高学生的分析能力。以下是高中物理中常见的物理公式的量值式和决定式。

物理量 量值式 决定式加速度a a＝vt-v0 t a＝F合m电场强度E E＝ F q E＝kQ r 2（真空中点电荷产生的电场）电势差Uab Uab＝Wab q Uab＝Ed（匀强电场中的电势差）电容器的电容C C＝Q U C＝ εS 4πkd（平行板电容器的电容）电阻R R＝ U I R＝ρL S

其次，物理公式有绝对性和相对性，物理公式的内容涉及到物理概念和规律，而物理概念反映了物理现象的本质属性，物理规律反映了物理量在静态或动态过程中最普遍的相对关系，无论是物理概念和本质属性还是物理量之间的联系，都是客观存在的，不以人的意志为转移的。从这个意义上来说，物理公式有其绝对性。另一方面，由于人们观察的现象是有限的，实验过程是其一侧面的，在思维加工上往往用理想化模型和理想化过程，因而得出的结论也只是在某一确定的条件下成立，这就导致了物理公式有一定的局限性，即在相对的时空下成立，这就是物理公式的局限性。如单摆的周期公式反映了单摆周期T、摆长l及当地的重力加速度g的必然联系，这是内容上的绝对性，而单摆周期公式是在忽略空气阻力和摆长形变的条件下推导出来的，与实际的单摆周期相比有一定的差异，仅对单摆模型适用，这是它的相对性。通过对物理公式的绝对性与相对性的认识，加深学生对物理公式的客观性理解，提高学生的分析水平和能力。

四、应用物理公式，提升创新质疑能力

在正确理解公式的前提下，运用公式解决实际问题不仅可以加深学生对物理公式的理解，同时在应用的过程中进一步提升学生的创新质疑能力。

在应用公式计算结果的分析论证，判断结论是否与实际相符合，提升学生质疑能力。在次过程中养成实事求是、一丝不苟、严肃认真的科学态度。在直线运动当中经常会遇到这样一类问题：

某水电站，用总电阻为2.5Ω的输电线输电给500km外的用户，其输出电功率是3×106kW。现用500kV电压输电，则下列说法正确的是（ ）

A.输电线上输送的电流大小为2×105A

B.输电线上由电阻造成的损失电压为15kV

C.若改用5kV电压输电，则输电线上损失的功率为9108kW

D.输电线上损失的功率为P＝U2/r，U为输电电压，r为输电线的电阻

在教学中，经常自觉地分析验证结论是否于实际符合，提升学生质疑能力，并创造实践机会，让学生去体验理论和实践相结合的必要性和必然性，自觉地运用理论去指导实践，避免实践的盲目性；用实践去丰富理论，在实践中检验理论，从而去完善理论。

总之，深入挖掘物理公式教育学生功能，重视对科学方法的运用，通过模型构建，加深对物理公式适用条件的认识，通过推理论证，领悟物理公式内涵，提升学生的科学思维素养。