“比较法”在物理解题中的应用

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  在物理学中有许多物理现象和物理规律具有可比性,在学习上运用比较的方法,可使我们对知识能深入理解,融会贯通.在解决物理问题时,有许多的研究方法供我们选用.如控制变量法、比较法、等效替代法等.如能恰当地选择科学的解题方法,确实能起到提高解题速度与准确率的良好效果.本文着重就比较法在物理解题中的应用做一些初步的探索.
  一、比较法的概念和类型
  比较法是物理学研究中一种常用的思维方法.其实质就是在找到两种有一定联系的物理现象、概念和规律的基础上,通过观察、分析,辨析物理现象、概念、规律的同中之异和异中之同,以把握其本质属性.它是认识事物的一种基本方法.比较的过程就是确定事物(现象)之间异同关系的思维过程.当你想寻找两件事物的相同和不同之处,就需要用到比较法.可以进行比较的事物和物理量很多,对不同或有联系的两个对象进行比较,我们主要从中寻找它们的不同点和相同点,从而进一步揭示事物的本质属性.由于比较法很适合于初中生学习物理知识,所以初中物理教材对很多知识点的介绍都采用这一方法.如,比较汽油机和柴油机的异同点,比较声音的传播与光的传播的异同,比较热机与电动机的优缺点,比较发电机与电动机的异同,比较凸透镜和凹透镜的异同点,比较光的三原色与颜料的三原色等等.电压表和电流表在使用上有什么不同也采用了比较法.
  比较法一般有三种类型:第一种是异中求同的比较,即比较两个或两个以上的对象而找出其相同点.第二种是同中求异的比较,即指比较两个或两个以上的对象而找出其相异点.第三种是同异综合比较,即比较两个或两个以上的对象的相同点、相异点.
  运用比较法解决物理问题应该注意:有些现象中条件的改变,只使这一现象发生量的变化,如欧姆定律中电压、电阻的变化,只是使电流发生数值的变化;而有些现象中因为一个条件的改变,将发生质的改变,如交、直流发电机模型,就因为某些结构的不同,导致外电路得到的电流在本质上有很大的差异.
  二、比较法可加深对物理概念的理解
  由于概念所反映的事物的本质特征往往隐蔽在非本质特征之中,概念和概念之间的联系和区别易使同学们混淆,影响着同学们对所学概念深刻的理解.突出比较法,可使同学们抓住概念的本质特征,对概念有更全面、更深刻的理解.
  例1重力与压力比较
  解析重力和压力,是同学们容易混淆的概念,一些同学常将压力和重力间的某些特殊情况下的关系一般化,往往认为“压力的大小总等于重力的大小”,甚至认为“压力就是重力”.我们可以设置一些能暴露和纠正这一错误的比较性例题对压力和重力进行比较,将会收到比较好的效果.除此以外,还可以采用列表(如下表)的方式将压力和重力进行比较.
  
  例2物体吸收热量的多少是否跟物质种类有关系?
  解析物理实验是掌握物理概念最有效的方法,通过对物理实验的现象和结果加以比较就能很好地掌握物理概念.为了研究物体吸收热量的多少跟物质种类的关系,可将不同物质(如水和煤油)的吸热现象和结果进行比较;由于比较必须在同一标准下才能进行,需要对实验的条件进行控制,使物质的质量相等,初温相同,吸收的热量也相等,这样,排除了质量和温度升高等方面的干扰,突出了吸热和物质种类的关系,通过物质在同等条件下吸热情况的比较就很容易掌握物体吸收热量的多少是跟物质种类有关的结论.
  例3决定感应电流方向的因素有哪些?
  解析决定感应电流的方向因素同样可以通过物理实验来掌握.实验按下述步骤进行演示:(1)电路闭合,当导体在磁场中不运动或平行于磁感线运动时,灵敏电流计指针不偏转,表明导体中不产生电流.(2)电路闭合,一部分导体在磁场中做切割磁感线运动,灵敏电流计指针偏转,表明导体中产生了电流.(3)在前步实验的基础上,分别使磁感线方向相同而改变导体切割磁感线运动方向,再使导体切割磁感线运动方向相同而改变磁感线方向,观察灵敏电流计指针偏转方向有何不同.(4)电路断开,导体在磁场中做切割磁感线运动,观察电流计指针是否偏转.在实验过程中,比较(1)、(2)两步的不同,就可以建立电磁感应这一现象的感性认识,比较(2)、(4)两步的不同,可以使这一感性认识深化,即明确感应电流产生的条件;比较步骤(3)实验的不同条件和不同现象,就可以理解并掌握决定感应电流方向的两个因素是磁感线方向(即磁场方向)和切割磁感线的运动方向.
  三、比较法在解各类物理题中的运用
  例4发电机和电动机的区别很多,比如它们的原理不同,请你再举出一条,填入后面的空格内:.
  解析回忆学过的有关发电机和电动机的内容并进行比较,会得到它们的结构不同、用途不同和能量转换的不同.
  例5阅读短文,回答短文后的问题.
  在探究“滑动摩擦力的大小跟哪些因素有关”的过程中,一些同学做出了以下猜想:
  猜想A:滑动摩擦力的大小可能与接触面的粗糙程度有关;
  猜想B:滑动摩擦力的大小可能与接触面间的压力大小有关;
  猜想C:滑动摩擦力的大小可能与产生摩擦力的两物体间接触面积的大小有关.
  为了检验上述有关猜想是否正确,某同学选用了一块底面与各个侧面粗糙程度均相同的长方体木块,并设计了以下实验方案:
  步骤1:把长方体木块平放在水平的长木板上,用弹簧测力计水平拉木块沿直线匀速滑动,读出这时弹簧测力计的读数(如图1甲);
  
  
  步骤2:在长方体木块上放上砝码(如图1乙),用弹簧测力计水平拉木块,使砝码与木块一起沿直线匀速运动,比较“步骤2”与“步骤1”中弹簧测力计读数的大小;
  步骤3:在水平长木板上铺上一层棉布,把木块平放在棉布上(不加砝码),用弹簧测力计水平拉木块沿直线匀速滑动(如图1丙),比较“步骤3”与“步骤1”中弹簧测力计读数的大小.
  (1)当用弹簧测力计水平拉木块沿直线匀速滑动时,滑动摩擦力的大小就等于弹簧测力计的读数.为什么?
  答:.
  (2)“步骤2”的设计目的,是为了检验上述猜想(A、B、C)中哪一个的正确与否?答().
  (3)为了检验“猜想C”是否正确,可在上述实验基础上再增加一个步骤,写出你所设计的这一实验步骤.
  答:(步骤4).
  (4)在“步骤2”中,若木块上方砝码的重为0.5N,当用弹簧测力计水平拉木块沿直线匀速滑动时,则砝码与木块间摩擦力的大小().
  A.大于0.5N
  B.大于零而小于0.5N
  C.等于0.5N
  D.等于零
  (5)考虑到影响摩擦力的因素较多,在上述探究过程中总要控制某些因素,使它们保持不变,进而寻找摩擦力的大小与另外一个因素的关系,这种研究问题的方法叫做“控制变量法”,想想看,初中物理在研究哪些问题时用到过这种方法?(参照例1,另举两例)
  例1.研究影响液体蒸发快慢的因素;
  例2..
  例3..
  解析这是一道探究性实验题,可以考查同学们观察、思维、分析能力,了解同学们能否巩固和深化所学物理知识;同时也是研究方法问题,在运用控制变量法的同时,也集中体现了比较法的研究功能.
  答案(1)由于用弹簧测力计水平拉木块沿直线匀速滑动时,弹簧测力计对木块的拉力与木块受到的滑动摩擦力是一对平衡力,所以滑动摩擦力的大小就等于弹簧测力计的读数;
  (2)“步骤2”的设计目的,是为了检验猜想B的正确与否;
  (3)步骤4:我们可以把长方体木块侧放或竖放在水平的长木板上,用弹簧测力计水平拉木块沿直线匀速滑动,比较“步骤4”与“步骤1”中弹簧测力计读数的大小;
  (4)D.
  (5)研究影响电阻大小的因素;研究动能(或重力势能)的大小与哪些因素有关.
  例6如图2所示为汽油机工作时各冲程的示意图,其中表示做功冲程的是().
  
  
  解析通过比较活塞的上、下运动情况以及两阀门的开闭情况来区分四个冲程的不同点:若有一气阀打开,则该冲程为吸气冲程或排气冲程,对于这两个冲程的进一步区分,要观察活塞的运动方向,若活塞向上运动则为排气冲程;若活塞向下运动则为吸气冲程.若两个气阀均关闭,活塞向上运动则为压缩冲程,活塞向下运动则为做功冲程.据以上分析可知,D表示做功冲程.
  例7轮船的船舷上都漆着“吃水线”,又称“载重线”,当轮船从大海驶向长江时,轮船受到的浮力及在大海与长江中轮船排开的体积V1和V2的关系是().
  A.浮力增大,V1=V2
  B.浮力减小,V1=V2
  C.浮力不变,V1>V2
  D.浮力不变,V1<V2
  解析轮船在大海和长江中都是漂浮着航行,竖直方向所受的浮力和重力平衡,大小应相等.同一艘轮船所受重力是一定的,因此两种情况下所受浮力相等.又根据阿基米德原理F浮=ρ液gV排可知浮力相等时,轮船在密度大的海水中排开的体积应该小一些.而在密度小的长江中排开的体积要多一些,故本题答案应为D.
  例8水平桌面上放有长方体木块和铁块各一个.现想探究木块和铁块的下表面谁更粗糙,请你只利用一个量程满足实验要求的弹簧测力计,设计一个实验来验证你的猜想.
  
  (1)写出实验的步骤.
  (2)说明可能观察到的现象,以及根据该现象能得出的相应结论.
  解析欲想探究木块和铁块的下表面谁更粗糙,只要保证压力一定时,比较一下看谁受到的滑动摩擦力较大.首先将铁块放在木块上,用弹簧测力计水平匀速拉动木块,记下弹簧测力计的示数F1;然后将木块放在铁块上,用弹簧测力计水平匀速拉动铁块,记下弹簧测力计的示数F2,这样前后两种情况下木块和铁块(把木块和铁块看成一个整体)对支持面的压力就保证相同了.最后比较弹簧测力计的示数F1和F2的大小,根据F1和F2的大小判断木块和铁块的下表面谁更粗糙.
  答案(1)将铁块放在木块上,用弹簧测力计水平匀速拉动木块,记下弹簧测力计的示数F1;将木块放在铁块上,用弹簧测力计水平匀速拉动铁块,记下弹簧测力计的示数F2;(2)若F1>F2,则木块下表面粗糙;若F1<F2,则铁块下表面粗糙;若F1=F2,则木块和铁块的下表面一样粗糙.
  例9小玲、小红和小丽在操场上玩荡秋千,如图4甲所示,小丽把小玲、小红分别轻轻推了一下,细心的小丽发现,她俩往返摆动一次的时间几乎一样,那么,秋千往返摆动一次的时间与哪些因素有关呢?三人对此问题进行了研究,提出了以下猜想:
  
  
  ①猜想1:秋千往返摆动一次所用的时间可能与人的质量有关;
  ②猜想2:秋千往返摆动一次所用的时间可能与秋千的绳长有关;
  ③猜想3:秋千往返摆动一次所用的时间可能与秋千摆动时离开中心线的最大距离有关.
  为了验证上述猜想,她们来到实验室,找来刻度尺、秒表、细线、小球,依照物理学习中的科学方法,按图4乙进行实验,得到下表中的数据.
  
  
  请你通过分析回答下列问题:
  (1)为验证猜想1,应选用序号为两组实验进行对比分析;
  (2)为验证猜想2,应选用序号为两组实验进行对比分析;
  (3)为验证猜想3,应选用序号为两组实验进行对比分析;
  (4)实验结论:小球往返摆动一次所用的时间与有关,与无关.
  解析在科学探究过程中对采集数据进行比较、分析和处理;并注意区分主要因素、次要因素和无关因素;并进行简单的因果推理,即可归纳出科学规律.
  答案(1)2与4;(2)1与3;(3)4与5;(4)从O点到小球中心的距离,小球质量和小球摆动距中心线的最大距离.
  例10为了比较两种不同液体密度的大小,现有器材如下:①托盘天平(已调节平衡,不含砝码)、②弹簧测力计、③刻度尺、④两个相同的烧杯、⑤拴着细线的物块A(密度大于两种液体的密度)、⑥正方体物块B(密度小于两种液体的密度).请写出两种比较液体密度大小的方法以及所需器材的组合(填序号).
  方法一:两种液体及.
  方法二:两种液体及.
  解析(代替参考答案):两种液体及②⑤,将物块A挂在弹簧测力计下浸没在液体中.物块A受重力GA、拉力F示和浮力F浮.有F浮=GA-F示,而F浮=ρ液gVA,则ρ液=GA
  -F示/gVA.由此可知,弹簧测力示数F示越大,ρ液越小.关于方法二请同学们自己去完成和总结.
  例11甲、乙两支完全相同的试管,内装质量相等的液体,甲管竖直放置,乙管倾斜放置,两管液面相平,如图5所示,设液体对两管底的压强分别为p甲和p乙,则(1)p甲p乙(选填“大于”“等于”或“小于”);(2)如果两支试管中一个试管装的是水,另外一个试管装的是煤油,那么甲试管装的是,乙试管装的是.
  
  
  解析计算液体的压强应从公式p
  =ρ液gh去分析,液体的密度和所求位置的液体深度是决定液体压强的两个关键物理量.比较甲、乙两试管底,液体的深度均为h,再比较液体的密度,从图中可以看出V甲<V乙,又因为m甲=m乙,所以根据ρ=■,得ρ甲>ρ乙,又p=ρ液gh,所以p甲>p乙,由前面的分析可以知道甲试管装的是水,乙试管装的是煤油.
  综上所述,比较法在初中物理解题中有着突出作用.比较方法的应用离不开分析和综合.没有分析,就没有比较的内容和标准,就没有比较的各个方面;没有综合,就没有比较的结果,就不能将比较内容联系起来形成结论.正因为比较与分析综合有密不可分的关系,它才是思维的基础,使它在物理解题中有广泛的应用.
  
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