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基于普通物理的高中物理解决问题的模式
本系列介绍了通过研究普通物理解决问题的特点，从方法论的角度提出了普适规律特殊规律约束条件这个普通物理解决问题的完备性模式
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首都师大附属中学物理高级教师，担任教育工作40载。被聘为北京市海淀区兼职教研员、物理学科带头人和首都师大物理系《中学物理教材教法》兼职主讲教师。曾参加北京市21世纪初中物理..
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客服邮箱：高一学生物理力学问题表征对问题解决的影响--《河南大学》2010年硕士论文
高一学生物理力学问题表征对问题解决的影响
【摘要】：
问题表征贯穿问题解决的整个过程,在问题解决中起着重要的作用。本研究采用认知作业法,探讨了问题表征对问题解决的影响作用,同时探索了培养物理问题表征的方法。
研究一以180名高一学生为被试,用认知作业法来研究问题表征对问题解决的影响,重点研究了不同学业学生的物理问题表征对问题解决的影响。同时考察了哪些物理问题表征对物理问题解决起到了最重要的作用。
研究二以研究一的学生为研究对象,做了10周物理问题表征的干预。在干预方法上采取了物理问题表征基础能力培养、物理问题表征综合能力培养、物理问题表征的元认知监控能力培养等。
通过上述两个研究,得出了以下主要结论:
(1)提示文字、提示画图对学生物理问题表征的影响差异显著;
(2)文字问题表征、朴素问题表征、物理原理问题表征、画图问题表征对学生物理问题解决的影响差异显著,画图问题表征对学生物理问题解决的影响差异更显著;
(3)不同学业水平学生的物理问题表征对问题解决的影响程度差异显著,文字问题表征与朴素问题表征对优等生问题解决的影响更显著;物理原理问题表征和公式问题表征对中等生、学差生问题解决的影响差异更显著;
(4)干预物理问题表征促进了高中生物理问题解决;
(5)不同学业水平学生的物理问题表征干预效果差异显著,优等生没有中等生、学差生好,中等生与学差生的差异不显著。
【关键词】：
【学位授予单位】：河南大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2010【分类号】：G634.7【目录】：
ABSTRACT4-8
第一部分 文献综述9-23
1 物理问题表征9-13
1.1 问题表征的概念及分类9-10
1.2 物理问题表征10-13
2 物理问题解决13-19
2.1 问题解决的界定13
2.2 问题解决的理论13-17
2.3 物理问题解决17-19
3 物理问题表征与物理问题解决的相关研究19-23
3.1 物理问题表征的差异研究19-21
3.2 物理问题表征对问题解决的影响21-23
第二部分 问题提出与总体研究设计23-28
1 问题提出23-24
1.1 以往研究的不足23-24
1.2 问题提出24
2 研究目的24-25
3 研究意义25-26
3.1 理论意义25
3.2 实践意义25-26
4 研究假设26
5 研究设计26-28
5.1 核心变量的界定26-27
5.2 总体研究框架27-28
第三部分 研究过程与结果28-53
研究一 不同提示下物理问题表征对问题解决的影响28-43
1 研究目的28
2 研究假设28-29
3 研究方法29-32
3.1 被试选取29
3.2 研究材料29-31
3.3 研究设计31
3.4 研究过程31-32
3.5 数据处理32
4 结果与分析32-43
4.1 不同提示下高一学生物理问题表征的总体特点32-35
4.2 不同提示对学生五种物理问题表征的影响分析35-38
4.3 不同提示下学生物理问题解决的总体特点38-40
4.4 不同提示下学生五种物理问题解决的影响分析40-43
研究二 高一学生物理问题表征对问题解决的干预研究43-53
1 研究目的43
2 研究假设43
3 研究方法43-48
3.1 被试选取43-44
3.2 干预材料44
3.3 干预方法44-46
3.4 干预时间46
3.5 研究设计46-47
3.6 研究过程47-48
3.7 数据处理48
4 结果与分析48-53
4.1 干预后总体学生测成绩的差异分析48-49
4.2 干预后不同学业水平学生成绩的差异分析49-50
4.3 总体学生干预效果分析50-51
4.4 不同学业水平学生干预效果分析51-53
第四部分 综合讨论53-63
1 高一学生物理问题表征的特点53-56
1.1 不同提示对学生物理问题表征的影响53-54
1.2 不同提示对不同学业学生物理问题表征的影响差异性54-56
2 物理问题表征对问题解决的影响56-60
2.1 学生五种物理问题表征对问题解决的影响56-57
2.2 不同学业学生物理问题表征对问题解决的影响57-60
3 物理问题表征干预方法的有效性60-63
3.1 总体学生的干预效果60
3.2 不同学业学生的干预效果60-63
第五部分 结论与教学建议63-68
1 研究结论63
2 创新之处63-64
3 研究不足与展望64
3.1 研究不足64
3.2 展望64
4 教学建议：提高物理问题表征及问题解决的主要措施64-68
参考文献68-72
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　　方法一：图像法解题
　　一、方法简介
　　图像法是根据题意把抽像复杂的物理过程有针对性地表示成物理图像，将物理量间的代数关系转变为几何关系，运用图像直观、形像、简明的特点，来分析解决物理问题，由此达到化难为易、化繁为简的目的．
　　高中物理学习中涉及大量的图像问题，运用图像解题是一种重要的解题方法．在运用图像解题的过程中，如果能分析有关图像所表达的物理意义，抓住图像的斜率、截距、交点、面积、临界点等几个要点，常常就可以方便、简明、快捷地解题．
　　二、典型应用
　　1．把握图像斜率的物理意义
　　在v-t图像中斜率表示物体运动的加速度，在s-t图像中斜率表示物体运动的速度，在U-I图像中斜率表示电学元件的电阻，不同的物理图像斜率的物理意义不同．
　　2．抓住截距的隐含条件
　　图像中图线与纵、横轴的截距是另一个值得关注的地方，常常是题目中的隐含条件．
　　例1、在测电池的电动势和内电阻的实验中，根据得出的一组数据作出U-I图像，如图所示，由图像得出电池的电动势E=______ V，内电阻r=_______ Ω.
　　【解析】电源的U-I图像是经常碰到的，由图线与纵轴的截距容易得出电动势E=1.5 V，图线与横轴的截距0．6 A是路端电压为0．80伏特时的电流，(学生在这里常犯的错误是把图线与横轴的截距0．6 A当作短路电流，而得出r=E/I短=2.5Ω 的错误结论．)故电源的内阻为:r=△U/△I=1.2Ω
　　3．挖掘交点的潜在含意
　　一般物理图像的交点都有潜在的物理含意，解题中往往又是一个重要的条件，需要我们多加关注．如：两个物体的位移图像的交点表示两个物体“相遇”．
　　例2、A、B两汽车站相距60 km，从A站每隔10 min向B站开出一辆汽车，行驶速度为60 km／h．(1)如果在A站第一辆汽车开出时，B站也有一辆汽车以同样大小的速度开往A站，问B站汽车在行驶途中能遇到几辆从A站开出的汽车?(2)如果B站汽车与A站另一辆汽车同时开出，要使B站汽车在途中遇到从A站开出的车数最多，那么B站汽车至少应在A站第一辆车开出多长时间后出发(即应与A站第几辆车同时开出)?最多在途中能遇到几辆车?(3)如果B站汽车与A站汽车不同时开出，那么B站汽车在行驶途中又最多能遇到几辆车?
　　【解析】依题意在同一坐标系中作出分别从A、B站由不同时刻开出的汽车做匀速运动的s一t图像，如图所示．
　　从图中可一目了然地看出：(1)当B站汽车与A站第一辆汽车同时相向开出时，B站汽车的s一t图线CD与A站汽车的s-t图线有6个交点(不包括在t轴上的交点)，这表明B站汽车在途中(不包括在站上)能遇到6辆从A站开出的汽车．(2)要使B站汽车在途中遇到的车最多，它至少应在A站第一辆车开出50 min后出发，即应与A站第6辆车同时开出此时对应B站汽车的s―t图线MN与A站汽车的s一t图线共有11个交点(不包括t轴上的交点)，所以B站汽车在途中(不包括在站上)最多能遇到1l辆从A站开出的车．(3)如果B站汽车与A站汽车不同时开出，则B站汽车的s-t图线(如图中的直线PQ)与A站汽车的s-t图线最多可有12个交点，所以B站汽车在途中最多能遇到12辆车．
　　4．明确面积的物理意义
　　利用图像的面积所代表的物理意义解题，往往带有一定的综合性，常和斜率的物理意义结合起来，其中v一t图像中图线下的面积代表质点运动的位移是最基本也是运用得最多的．
　　例4、在光滑的水平面上有一静止的物体，现以水平恒力甲推这一物体，作用一段时间后，换成相反方向的水平恒力乙推这一物体．当恒力乙作用时间与恒力甲作用时间相同时，物体恰好回到原处，此时物体的动能为32 J．则在整个过程中，恒力甲做功等于多少?恒力乙做功等于多少?
　　【解析】这是一道较好的力学综合题，涉及运动、力、功能关系的问题．粗看物理情景并不复杂，但题意直接给的条件不多，只能深挖题中隐含的条件．下图表达出了整个物理过程，可以从牛顿运动定律、运动学、图像等多个角度解出，应用图像方法，简单、直观．
　　作出速度一时间图像(如图a所示)，位移为速度图线与时间轴所夹的面积，依题意，总位移为零，即△0AE的面积与△EBC面积相等，由几何知识可知△ADC的面积与△ADB面积相等，故△0AB的面积与△DCB面积相等(如图b所示)．
　　即： （v1&2t0）= v2t0
　　解得：v2=2v1
　　由题意知, mv22=32J,故 mv12=8J,
　　根据动能定理有W1= mv12=8J, W2= m(v22-v12)=24J
　　5．寻找图中的临界条件
　　物理问题常涉及到许多临界状态，其临界条件常反映在图中，寻找图中的临界条件，可以使物理情景变得清晰．
　　例5、从地面上以初速度2v0竖直上抛一物体A，相隔△t时间后又以初速度v0从地面上竖直上抛另一物体B，要使A、B能在空中相遇，则△t应满足什么条件?
　　【解析】在同一坐标系中作两物体做竖直上抛运动的s-t图像，如图．要A、B在空中相遇，必须使两者相对于抛出点的位移相等，即要求A、B图线必须相交，据此可从图中很快看出：物体B最早抛出时的临界情形是物体B落地时恰好与A相遇；物体B最迟抛出时的临界情形是物体B抛出时恰好与A相遇．故要使A、B能在空中相遇，△t应满足的条件为：2v0/g&△t&4v0/g
　　通过以上讨论可以看到，图像的内涵丰富，综合性比较强，而表达却非常简明，是物理学习中数、形、意的完美统一，体现着对物理问题的深刻理解．运用图像解题不仅仅是一种解题方法，也是一个感悟物理的简洁美的过程．
　　6.把握图像的物理意义
　　例6、如图所示，一宽40 cm的匀强磁场区域，磁场方向垂直纸面向里．一边长为20 cm的正方形导线框位于纸面内，以垂直于磁场边界的恒定速度v=20 cm／s通过磁场区域，在运动过程中，线框有一边始终与磁场区域的边界平行．取它刚进入磁场的时刻t=0，在下列图线中，正确反映感应电流随时问变化规律的是( )
　　【解析】 可将切割磁感应线的导体等效为电源按闭合电路来考虑，也可以直接用法拉第电磁感应定律按闭合电路来考虑．
　　当导线框部分进入磁场时，有恒定的感应电流，当整体全部进入磁场时，无感应电流，当导线框部分离开磁场时，又能产生相反方向的感应电流．所以应选C．
　　方法二：等效法
　　一．方法介绍
　　等效法是科学研究中常用的思维方法之一，它是从事物的等同效果这一基本点出发的，它可以把复杂的物理现象、物理过程转化为较为简单的物理现象、物理过程来进行研究和处理，其目的是通过转换思维活动的作用对象来降低思维活动的难度，它也是物理学研究的一种重要方法．
　　用等效法研究问题时，并非指事物的各个方面效果都相同，而是强调某一方面的效果．因此一定要明确不同事物在什么条件、什么范围、什么方面等效．在中学物理中，我们通常可以把所遇到的等效分为：物理量等效、物理过程等效、物理模型等效等．
　　二．典例分析
　　1．物理量等效
　　在高中物理中，小到等效劲度系数、合力与分力、合速度与分速度、总电阻与分电阻等；大到等效势能、等效场、矢量的合成与分解等，都涉及到物理量的等效．如果能将物理量等效观点应用到具体问题中去，可以使我们对物理问题的分析和解答变得更为简捷．
　　例l．如图所示，ABCD为表示竖立放在场强为E=104V/m的水平匀强电场中的绝缘光滑轨道，其中轨道的BCD部分是半径为R的半圆环，轨道的水平部分与半圆环相切A为水平轨道的一点，而且 把一质量m=100g、带电q=10－4C的小球，放在水平轨道的A点上面由静止开始被释放后，在轨道的内侧运动。（g=10m/s2）求：
　　（1）它到达C点时的速度是多大？
　　（2）它到达C点时对轨道压力是多大？
　　（3）小球所能获得的最大动能是多少？
　　2．物理过程等效
　　对于有些复杂的物理过程，我们可以用一种或几种简单的物理过程来替代，这样能够简化、转换、分解复杂问题，能够更加明确研究对象的物理本质，以利于问题的顺利解决．
　　高中物理中我们经常遇到此类问题，如运动学中的逆向思维、电荷在电场和磁场中的匀速圆周运动、平均值和有效值等．
　　例2．如图所示，在竖直平面内，放置一个半径R很大的圆形光滑轨道，0为其最低点．在0点附近P处放一质量为m的滑块，求由静止开始滑至0点时所需的最短时间．
　　例3．矩形裸导线框长边的长度为2l，短边的长度为l，在两个短边上均接有阻值为R的电阻，其余部分电阻均不计．导线框的位置如图所示，线框内的磁场方向及分布情况如图，大小为．一电阻为R的光滑导体棒AB与短边平行且与长边始终接触良好．起初导体棒处于x=0处，从t=0时刻起，导体棒AB在沿x方向的外力F的作用下做速度为v的匀速运动.试求：
　　（1）导体棒AB从x=0运动到x=2l的过程中外力F随时间t变化的规律；
　　（2）导体棒AB从x=0运动到x=2l的过程中整个回路产生的热量．
　　3．物理模型等效
　　物理模型等效在物理学习中应用十分广泛，特别是力学中的很多模型可以直接应用到电磁学中去，如卫星模型、人船模型、子弹射木块模型、碰撞模型、弹簧振子模型等．实际上，我们在学习新知识时，经常将新的问题与熟知的物理模型进行等效处理．
　　例4．如图所示，R1、R2、R3为定值电阻，但阻值未知，Rx为电阻箱．当Rx为Rx1=10 Ω时，通过它的电流Ix1=l A；当Rx为Rx2=18 Ω时，通过它的电流Ix2=0.6A．则当Ix3=0.l A时，求电阻Rx3．
　　【解析】电源电动势E、内电阻r、电阻Rl、R2、R3均未知，按题目给的电路模型列式求解，显然方程数少于未知量数，于是可采取变换电路结构的方法．
　　将图所示的虚线框内电路看成新的电源，则等效电路如右图所示，
　　电源的电动势为E’，内电阻为r’．根据电学知识，新电路不改变Rx和Ix的对应关系，
　　例5．如图所示，倾角为θ=300，宽度L=1 m的足够长的U形平行光滑金属导轨固定在磁感应强度B=1 T、范围足够大的匀强磁场中，磁场方向垂直导轨平面斜向上，用平行于导轨且功率恒为6 w的牵引力牵引一根质量m=0.2 kg，电阻R=1 Ω放在导轨上的金属棒ab由静止沿导轨向上移动，当金属棒ab移动2.8 m时获得稳定速度，在此过程中金属棒产生的热量为5.8 J(不计导轨电阻及一切摩擦，g取10 m／s2)，求：
　　(1)金属棒达到的稳定速度是多大?
　　(2)金属棒从静止达到稳定速度所需时间是多少?
　　【解析】此题只要将汽车以恒定功率运动的模型，用于电磁感应现象中，将思维转换过来，问题就不难求解．
　　(1)金属棒在功率恒定的牵引力作用下沿导轨向上运动，金属棒切割磁感线产生感应电动势，回路中有感应电流，ab棒受安培力方向沿导轨向下，由P=Fv可知，随着棒速度增加，牵引力将减小，安培力增大，棒的加速度减小，稳定时有：牵引力等于安培力和棒重力沿导轨向下的分力之和，在导轨平面内，有
　　方法三：极端法专题
　　一、方法简介
　　通常情况下，由于物理问题涉及的因素众多、过程复杂，很难直接把握其变化规律进而对其做出准确的判断．但我们若将问题推到极端状态、极端条件或特殊状态下进行分析，却可以很快得出结论．像这样将问题从一般状态推到特殊状态进行分析处理的解题方法就是极端法．极端法在进行某些物理过程的分析时，具有独特作用，恰当应用极端法能提高解题效率，使问题化难为易，化繁为简，思路灵活，判断准确．
　　用极端法分析问题，关键在于是将问题推向什么极端，采用什么方法处理．具体来说，首先要求待分析的问题有“极端”的存在，然后从极端状态出发，回过头来再去分析待分析问题的变化规律．其实质是将物理过程的变化推到极端，使其变化关系变得明显，以实现对问题的快速判断．通常可采用极端值、极端过程、特殊值、函数求极值等方法．
　　二、典例分析
　　1．极端值法
　　对于所考虑的物理问题，从它所能取的最大值或最小值方面进行分析，将最大值或最小值代入相应的表达式，从而得到所需的结论．
　　【例1】如图所示，电源内阻不能忽略，R1＝10Ω，R2＝8Ω，当开关扳到位置1时，电流表的示数为0.2A；当开关扳到位置2时，电流表的示数可能是（ ）
　　A．0.27AB．0.24AC．0.21AD．0.18A
　　【解析】开关S分别扳到位置1和2时，根据闭合电路欧姆定律可得
　　所以有
　　虽然电源内阻R的数值未知，但其取值范围尽然是 ，
　　所以，当R＝0时，I2＝0.25A；当R→∞时，I2→0.2A．故电流表示数的变化范围是0.2A＜I2＜0.25A．
　　本题的正确选项是BC．
　　2．极端过程法
　　有些问题，对一般的过程分析求解难度很大，甚至中学阶段暂时无法求出，可以把研究过程推向极端情况来加以考察分析，往往能很快得出结论。
　　来源：网络
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中国高校校报协会副会长......
北京教育音像报刊总社评论部评论员.....
中国青少年研究中心首席专家
美国独立教育顾问协会认证顾问
中国人民大学政治学教授}