物理学中蕴含着丰富的逻辑思维方法, 逻辑思维方法是分析和解决物理问题的关键,寓逻辑关系、逻辑思维于物理教学之中, 是培养学生科学思维能力的主要途径。
一、比较和归类的方法比较法是认识研究对象之间的相同点和不同点的逻辑思维方法。考察不同的物理运动, 比较它们的运动特征, 搞清楚它们之间的内在联系, 总结概括出它们共同遵循的规律, 从更深层次上来认识所研究的对象。如物理规律是在对大量的物理实验现象进行研究比较后形成的。考察在改变条件下的某一物理过程变化, 通过比较变化前后的区别和联系, 可能得到一些新的认识。判断假说的对错, 是在实验现象与假说的比较中完成的。同中求异、异中求同是比较法的关键。居里夫妇用α粒子轰击铍时, 发现一种穿透力很强的且经过比较后猜想为不带电的光子流。查德威克重复了这个实验, 他采取“同中求异”比较法发现这种中性射线虽不会被磁场偏转, 但有与质子相近的质量, 且速度不及光速的十分之一。因此, 他把这种粒子称为中子。教学实践表明, 采取比较法讲解新知识, 既可巩固旧知识, 又可帮助学生建立知识网络, 比单纯讲授新知识容易设计教学方案, 讲授时条理清楚, 学生容易接受, 从而使学生在学习中受到比较法的熏陶。归类法是以比较为前提, 根据研究对象的异同点,将其区分为不同种类的逻辑方法。通过归类可以使物理现象条理化、系统化, 形成一个严密的知识体系, 为新的物理现象研究提供了方向和方法, 也为知识的传授和记忆提供了方便。如在研究运动学问题时, 可分为两大类:( 1) 已知质点的运动方程x=x( t) , 求质点的速度v( t) 或加速度a( t) ;( 2) 已知质点的加速度a( t) 或速度v( t) , 求质点的运动方程。
二、分析和综合的方法
分析方法就是把复杂的研究对象分解成若干个简单的部分, 再分别进行研究, 从而认识研究对象各部分、各方面本质的思维方法。综合法是在分析的基础上把研究对象的各个部分、各个方面联结成为一个整体加以认识的思维方法。分析是综合的基础, 综合是分析的发展, 只有分析得细致、透彻, 才能准确、全面地综合。在研究较为复杂的平抛运动时, 待水平和竖直两个方向的分运动规律都研究透彻后, 利用水平方向与竖直方向运动的等时性, 再把这两个分运动联合起来考察物体的位移、速度和加速度变化规律。许多比较复杂的物理现象, 可人为地控制现象发生的条件, 能把复杂的多因素影响分析为几个单因素的影响, 逐一加以研究, 然后再把各个因素联系起来综合研究, 找出事物变化的本来规律。电流、电压、电阻三者变化关系, 牛顿第二定律a、F、M三者关系, 一定质量理想气体状态( 三个参量P、V、T) 的变化规律, 平行板电容器的( 电容C、板间距离d、正对面积S、介电常数ε) 几个因素关系等类似问题的研究, 都是利用这种分析和综合的办法来解决的, 在组织教学时要注重对学生进行分析和综合方法的训练。
三、归纳和演绎的方法
归纳和演绎是一种运用最广泛的辩证逻辑思维方法。归纳法是从个别中发现一般的思维方法和推理形式。演绎则是从一般到个别的推理方法。当人们认识了许多特殊事物, 需要从中得出普遍规律时, 就要用归纳; 反之, 在人们认识了普遍规律后, 再研究特殊事物时, 就要用演绎。归纳法和演绎法是对立统一、相辅相成的。物理学的绝大部分规律都是经过归纳和演绎的思维方法而发现的。在物理教学中, 可以通过具体物理内容的传授, 来培养学生的归纳和演绎能力。如讲授“分子运动论”时, 可先列举现象、观察实验、列表分析, 而后引导学生归纳出分子运动遵循的规律, 再将这一普遍规律应用于理想气体。在压强足够小情况下的一切实际气体, 都可以看成是理想气体,这一演绎又具有典型意义。在应用楞次定律判断电磁感应现象中感应电流的方向时, 可通过分析几类典型的例子, 归纳一般的判断步骤, 然后就要进行大量的演绎, 运用楞次定律去解决具体的问题。
四、类比的方法
类比是根据两个或两类对象的相同、相似方面来推断它们在其他方面也可能相同或相似的一种推理方法。许多物理规律都是通过类比方法提出、经过实验所证实的。如惠更斯把光现象与声现象进行类比,光也像声那样能够反射、折射, 提出光的波动说。德布罗意根据光的波粒二象性提出微
观粒子也具有波动性, 得出物质波的概念。卢瑟福类比行星围绕太阳运转的方法, 并通过α粒子散射实验验证, 建立了“ 原子行星模型”。利用类比的方法是物理教学中一种行之有效的教学方法。例如把电场与重力场类比, 把磁场和电场类比, 把电流和水流类比。在讲摩擦系数μ、电阻R 和电场强度E时可类比归纳如下: μ与摩擦力F、正压力N无关, 只由物质本身的特性决定; 电阻R与电压U、电流I无关, 只与导体的材料、直径、温度有关;电场强度E与电场力F、电量Q无关, 只由电场本身的特性决定。在讲解有代表性的例题和习题时要详加分析和讨论, 指导学生要归纳出解题思路和方法, 一旦遇到相类似的习题时, 可通过类比的方法, 拟定出解题方案, 能起到触类旁通、举一反三的作用。
五、理想化方法
理想化方法抓住了事物的主要方面, 忽略了事物的次要方面, 求出与实际情况相近的结果, 得出更本质的结论。理想化方法分为理想模型法和理想实验法两类。理想模型又可分为对象模型、条件模型和过程模型三类。用来代替研究对象实体的理想化模型叫做对象模型。如质点、弹簧振子、理想气体、点电荷、理想变压器、点光源等都属于对象模型; 把研究对象所处的外部条件理想化建立的模型叫做条件模型。如光滑表面、刚体、轻绳、绝对黑体、均匀介质、匀强电场等都属于条件模型; 忽略次要因素的作用, 只考虑主要因素引起的变化过程叫做过程模型。如匀变速直线运动、匀速圆周运动、简谐振动、弹性碰撞、绝热过程、稳恒电流等都属于过程模型。理想实验又叫做假想实验, 它是逻辑推理的一种特殊形式, 是连接抽象的理论逻辑和具体经验知识的枢纽。伽利略演绎推理出“运动不需要力来维持”的斜面实验, 速度足够大的平抛物体可绕地球运转的实验, 爱因斯坦的升降机实验等都是比较典型的理想化实验。每种理想化方法都有限定的适用条件和范围。要是理想化方法较好地反映客体的运动规律和本质, 就要根据客观情况不断补充和修正。在现实科研中, 验证一个新的设计方案是否适用, 判断一种新设计的产品能否达到预期的性能, 都可在突出主要作用条件的前提下, 建立理想化模型, 进行理想化实验验证, 而后找出问题加以改进。如研发一种高强度金属材料, 以没有“缺陷”的“ 理想晶体”为研究对象, 应用量子力学对这种“理想晶体”进行计算, 假若计算的强度竟比普通情况下的强度大1000倍。由此设想: 普通情况下的强度之所以很弱, 是因为材料中有许多“缺陷”的缘故; 如果能设法减少这种“缺陷”, 就可能大大提高金属材料的强度,沿着这一思路就可制造出尽量接近于“理想晶体”强度的金属丝来。理想化方法是一种抽象思维方法, 是开启创新行为的钥匙。教师在教学中要善于联系实际对学生进行理想化方法教育。
六、建立假说法
假说是人们根据已知的科学事实和科学理论, 对未知事物的现象及其规律提出的一种假定性的解释和推理。哥白尼的“日心说”、热质说、狄拉克的磁单极子假说、安培分子环流假说、光的粒子说、光的波动说、普朗克光子说、爱因斯坦的光量子假说等均为历史上极有影响力的假说。科学家们在探究新发现的问题时, 往往是先提出假设, 再设计实验验证假说, 最后归纳总结形成理论,其中假说对探究问题是至关重要的, 需要有丰富的想象力、冲破传统思想禁锢的胆识和勇于献身于探究实践的精神以及承受失败挫折的意志。关于热的本质,从热质说到分子运动说; 关于光的本质, 从惠更斯的波动说到牛顿微粒说, 再到电磁说, 然后到量子说; 关于原子的结构, 从汤姆孙模型到卢瑟福模型, 再到玻尔模型, 然后到量子力学的原子壳层结构模型等, 都是人们在一定认识阶段提出的各种假说, 它们都经历了实践与理论的检验, 错误的被否定, 正确的被保留,并得到不断完善, 形成了更为合理的假说, 再接受检验⋯⋯如此往复循环, 永不休止, 而每一次的发展都是对前一层次理论( 假说) 的继承、完善和修改, 又是后一层次理论( 假说) 的重要台阶。在教学中要引导学生善于发现问题, 大胆地进行科学假想, 养成“ 假设- 修正- 再假设- 再修正”的探究习惯。庞大的物理知识体系是历代物理学家们运用这些科学的思维方法, 经过不懈地探究实践获得的。科学方法是获得知识的手段, 离开了科学方法, 知识的探索则成为无根之木, 无源之水。在今天, 培养学生探索精神和创新能力是教学改革的核心, 这就要求教师在向学生传授知识的同时, 更要
