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猜想与假设在中学物理学习中的作用

猜想与假设是一种重要的思维方法。从前人的科学研究过程中我们可以体会到,它不仅是一种科学研究的重要方法,而且为科学研究工作注入了新的活力,提供了新的灵感。正当“山重水复疑无路”之际,一个新的猜想或假设,往往使得研究工作“柳暗花明又一村”。普朗克敢于突破传统,摒弃能量连续化的思想,大胆提出能量量子化假设,终于敲开了量子世界的大门。假如我们总是拘泥于旧的研究方法和模式,便会陷入更大的困难。了解和领会猜想与假设的思维方法,对中学生学习和运用物理知识、提升学习兴趣、感悟科学魅力具有重要意义。具体来讲,其作用主要分为以下几个方面:

一、激发学生想象力的有效途径

自然科学离不开想象。科学上的所有理论、学说,技术上的一切发明,无不有想象力参与其中。科学家在面对实际生活中遇到的问题时,为了寻求答案和解决问题,必须展开丰富的想象。爱因斯坦曾说:“想象力比知识更加重要,因为科学知识是有限的,但是想象力是无限的,它包含了一切,推动着科学技术的进步,是人类智慧进化的源泉。”想象力是科学研究中必不可少的重要因素,对于今天的中学生而言,培养想象力尤为重要。猜想与假设正是培养和丰富学生想象力的有效途径。例如,在学习过程中,我们常常让学生设想“假如时光倒流”,把自己置身于历史的舞台,对于当时科学界遇到的各个难题,也展示一下自己的猜想:看到自由落体运动,猜想它的运动快慢与什么因素相关,具有什么样的运动规律;看到苹果落地,月球绕地球运转,猜想它们之间具有什么样的本质联系;看到电磁感应现象,猜想产生电磁感应现象的条件……尽管前辈们已经对各个问题做出了正确的定论,但是我们仍要对这些问题做出自己的种种“历史性猜想”,从而培养自己独立思考、敢于猜想的品质。2013年6月20日,在“天宫一号”实验室中,我国首位进入太空的女宇航员王亚平在两位同伴的帮助下,对全国几千万中小学生进行了精彩的太空授课。王亚平演示了在太空中测量物体的质量、水膜实验、水球实验、神奇的单摆等。此次太空授课,不仅给同学们传授了知识,更可贵的是极大地激发了同学们的想象力,他们向宇航员提出了很多问题,如:“在太空中有上和下的方位感吗?”“窗外的景色与地面有什么不同吗?”“能看到UFO吗?”虽然这些问题并不是很深奥,也没有蕴含多么高深的理论,但是从这些问题中,我们看到了他们迸发出来的宝贵的想象的火花,这是十分令人欣慰的。

二、体验科学探究过程

当前,中学物理教学一项极其重要的任务就是教会学生科学探究。猜想与假设就是科学探究中的一个要素。理解和领会这种思维方法也就是在体验科学探究的过程。在科学探究过程中,提出一个有价值的问题往往比解决问题更重要,但是如果仅仅是提出问题,而对问题中事物的规律性、因果性不去做进一步的猜测,很可能就会错过发现真理的机会。爱因斯坦在16岁时提出“追光”问题当然可贵,但是更可贵的是他能够坚持不懈地探索,并以非凡的勇气和巧妙的思维,大胆地提出新的猜想,这才使他能在26岁时创立相对论,震动了整个科学界。中学生学习物理知识的过程,与科学家探索未知世界的过程有很大的相似性,既要大胆地提出新问题,也要养成对新问题做出猜想、大胆假设的习惯。其实这种发现问题并展示猜想与假设勇气的机会,在中学生学习的过程中随处可见。例如:在研究物体的加速度与力和质量的关系的过程中,我们根据生活经验可以知道,同一个物体,受力越大,速度改变越快,加速度越大;同一个力,作用在质量大的物体上时,速度不容易改变,加速度小。我们通过经验,只能得到一个定性的判断,如果要定量研究,加速度与力和质量到底有怎样的关系呢?

当我们用实验证实了某个猜想后,那种成就感和喜悦感可能终生难忘。在研究电磁感应现象时,我们常常会做课本上的这个实验:用条形磁铁的N极或者S极分别插入线圈或者从线圈中抽出时,感应电流的方向是不一样的。那么对于其中的规律,我们是跟随老师的授课进程或者先看书上的结论,还是自己先做一番猜想呢?如果做过猜想,就说明我们已经在进行科学探究了,如果能够进一步根据自己的猜想,主动地进行实验探究,记录结果,尝试着做出更准确的猜想,哪怕是一个毫无意义的错误的猜想,都说明我们“好伟大”,已经和科学家一样,在进行着探究未知世界发现物理规律的科学研究了。

三、深化对物理原理的认识

在研究物理问题时,我们对未知的结果事先做出猜想和假设,并非只局限于实验研究中。在学习和生活中,我们也经常会遇到各种新鲜的、活跃的问题,同样可以根据其可能的演化方向,先做出试探性的猜想和假设,这有利于我们深化对物理知识的认识。例如,下雨天会有大小不同的雨滴落到地面,有人好奇地提出这样的问题:是大雨滴落地快还是小雨滴落地快?如果我们凭借直觉,很容易做出这样的猜想——大雨滴落地快。为了验证这个猜想,我们就要进行假设。

可以先假设一些条件,如将雨滴看作质量不变的球体进行研究,不考虑雨滴质量增加对其速度影响,则雨滴下落将达到一个恒定不变的最大速度,称为收尾速度。然而,雨滴在下落过程中会不断吸收水汽、尘埃等物质,质量将会不断增加,但由于下落过程中还存在摩擦升温等因素,造成蒸发现象,其质量也会减小,因此,为了不使问题过于复杂,可以着重讨论质量不变的不同雨滴的下落速度。对于质量变化的雨滴,只做浅易讨论,即质量增加的情况。

问题假设的复杂性不仅如此,由于这个问题肯定要涉及阻力的问题,通过查阅资料,由流体力学可知,雨滴在空气中下落,所受阻力有两种:第一种是黏性阻力,因为雨滴在空气中相对于空气运动,雨滴表面附着一层空气,即附面层,附面层靠近雨滴的空气微团相对于雨滴静止,附面层外侧的空气微团相对于雨滴有一定流速,造成雨滴表面附近的空气存在速度梯度,因而空气层之间有阻碍雨滴下落的摩擦力。第二种是压差阻力,雨滴表面处有附面层,远离附面层的气流受附面层影响小,流速快;靠近附面层的气流受附面层影响大,流速慢,因而在雨滴的上方便因靠附面层的空气未能及时赶到而留下空间,于是外层空气便回旋过来补充,从而形成涡旋,雨滴上方涡旋产生,所以上方气压小于下方气压,压强差就构成雨滴下落的阻力。

因此,即使是一个简单的雨滴形成的物理现象观察,也需要探究雨滴下落过程的受力情况,深入分析黏性阻力和压差阻力的使用条件,最后还要运用运动学相关知识对雨滴下落进行问题讨论,这样深入地理解和研究物理问题,必然有助于强化对科学思维的深刻性的认识。

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