探究物理概念的基本特征

探究物理概念的基本特征

作者:转载 发布时间:2015-4-28 点击数:385

　　摘要：从探究物理概念的基本特征入手，旨在从整体上把握物理概念，建立一幅清晰的物理概念图景.关键词：物理概念物理量属性特征
　　
　　概念是对客观事物本质的抽象，它是思维活动的一种形式.物理概念是哲学意义上的一种，物理学是一个概念群，或者称为概念系统，所以物理概念既具有客观性，又具有主观性.客观性是事物本质的一种反映，主观性是一种思维形式.因此，物理概念是客观事物的物理共同属性和本质特征在人们头脑中的反映，是物理事物的抽象.物理概念是物理理论和知识的重要组成部分；同时也是构成物理规律和公式的基础.它是学生学好物理的基础.对于物理概念，国内研究者研究的重点主要集中在“物理概念教学环节”上，比如概念的引入、概念的形成、概念的理解和概念的运用，而忽视了对物理概念自身结构、特征等方面的分析研究.
　　
　　1概念、概念的形成及定义
　　
　　1.1什么是概念逻辑学认为概念是思维形式的一种，是人们进行正确思维必不可少的基本要素；概念的性质，即它是理性认识，反映了客观事物的本质属性，构成这一事物的根本特征，这一事物之所以区别于它种事物的根本标志.
　　
　　1.2概念的形成人生活在社会里就要参与社会实践活动，接触到各种事物，它们必然在人的头脑中引起反映，并且在我们离开那些具体事物之后，通过回忆和想象，这些反映仍能在我们头脑中浮现出来，这是感性认识阶段.感性认识是认识的初级阶段，人们这时看到的大多数是事物的某些片面、表面现象和事物间的外部联系.感性认识一般不能全面认识事物，不能深刻地反映事物的本质.在感性认识到的基础上，运用逻辑思维的方法，即比较、分析与综合、抽象与概括的方法，把事物本质的、主流的、共同的东西概括起来就形成概念.这里比较的方法可以区分这一事物和另一事物的相同点和不同点；分析是在头脑中把对象的各个部分（或属性）分别地加以观察研究，而综合则是在分析的基础上，把对象各个部分的状况联系起来，加以统一，从而得到关于整体事物的知识；抽象是从事物许多属性中抽出本质属性，而概括则是把个别事物的本质属性推及为同类一般事物的共同本质属性.形成概念，我们也就从根本上认识了事物，认识过程从感性认识阶段跃进到理性认识阶段.这时认识的已不是事物的各个片面的外部联系，而是事物的本质的、全体的、内部的联系了.可见，概念是在实践中形成的，是客观事物的本质在人们思想中的反映，是一种理性认识.
　　
　　1.3认识和运用概念的定义概念所反映的事物的本质属性，可以通过给概念下定义的方法来表明，并且用文字或语言把它标志出来，借以交流和传播.这时概念就成为一种知识.中学物理中的有关概念，就是前人通过实践、经过思维加工而总结出来的知识.当然，在概念教学过程中，如果可能，引导学生适当重复前人的认识过程，将十分有助于学生对概念知识的理解和掌握.概念的定义都是尽可能简短，简短到不会妨碍定义应有的完整.定义都是准确清楚的，定义把对象的最主要之点加以概括，使我们在一两句简短的话里，掌握该对象具有一定限度的基本知识，从而较容易地认识其根本特征，区分对象与对象之间的不同.但是，定义仅局限于反映最主要的东西，它远不能把对象的全部知识包括无遗.事实上，每一对象有许多特征，要想在定义里指出对象所有的特征是不可能的，定义只能包含一些划清这一概念与其他概念的界限的重要特征.因此，在我们掌握和运用概念的过程中，定义固然有重要的作用，但把它的作用过分夸大，则是不恰当的.
　　
　　2物理概念与物理量
　　
　　2.1物理概念一般的概念所反映的对象可以是社会的、生产的、政治的客体和现象，也可以是有生命的、无生命的客体和现象；其中反映自然界客体和物理现象本质状况的概念，叫做物理概念.物理概念也是在实践中形成的，不过，这种实践还包括在实验室里，在特定条件下使一些物理现象重现，也就是说还有物理实验这种实践；而且对物理概念形成来说，这是主要的实践，我们从“物理学是以实验为基础的科学”这句话里就可以体会到这一点.例如，我们在实践中观察到：人在地上走，汽车在马路上行驶，船在水中前进，飞机在空中航行，工厂中的各种机床在动作；在实验室里，木块沿斜面滑下，动滑轮在空中上下移动等等.我们把这些现象加以比较，经过分析与综合之后，看到它们虽然形式多样却有一个共同的特点，就是一个物体相对于另一个我们认为是不动的物体的位置发生了变化.我们抛开这些物体动作的具体形象，而把上述的共同特征抽象出来予以概括，就形成了机械运动这个概念.并用“一个物体相对于其他物体的位置的变化叫做机械运动”这个定义，把它固定下来.定义一个物理概念要符合两个要求：一是定义本身需符合事物的客观实际；二是定义的结果从质的方面反映出事物的物理性质或特征.为什么要有这两要求呢？因为，(1)引用物理概念的目的是用它来定性地表征客观事物的物理性质或特征，所以定义的结果必须跟引用的一致；(2)辩证唯物主义认为，概念是客观事物的本质属性在人脑中的反映，是在感性认识的基础上经过思维加工，而形成的理性认识.因此，物理概念的定义不能凭主观臆断，自然应从实践出发.实际上，物理概念定义的这两个要求是可以同时满足的.逻辑学为概念下定义规定了一些方法规则，而在物理学中给物理概念下定义时，虽然也要考虑这些方法和规则，却不应该机械地运用这些规则，因为物理学跟属于抽象科学的逻辑学不同，它是具体实质性的科学.给物理概念下定义，主要考虑通过定义将概念所反映的客观事物的物理性质或特征揭示出来，区别于其他概念，以便于新概念参与有关的讨论和计算.在物理学中每个物理名词都代表一个物理概念.我们比较、分析一下物理学中的物理概念可以看出，有些物理概念的含义比较简单，像“物体”、“运动”、“路程”等.对于这样的概念学生是容易掌握的.还有些物理概念，虽然它的含义不那么简单，但它在物理学中的地位不怎么重要，如“稳度”、“电池容量”等.还有一些物理概念，它们是构成物理学基础知识所必需的，应用得很广泛，通常称它们为基本概念，如“力”、“加速度”、“冲量”、“动量”等.教学中应将重点放在弄懂基本概念上.其中包括：(1)物理概念的内容：概念所反映客观事物(物体、物质、物理现象、物理过程、物理事实)的性质和特征；.概念所表示的物理意义；概念的内涵和外延（物理概念的内涵就是概念所反映的物理现象、物理过程特有的本质属性，使该事物区别于他事物的本质特征，是概念所反映的物理意义.物理概念的外延是指具有概念所反映的本质属性的对象，即通常所说的适用条件和范围）；(2)物理概念的结构：概念的结构指构成它的要素，例如“速度”的结构是位移与时间，“冲量”的结构是力与时间等等.对于概念教学，要把概念与构成它的要素区分清楚.
　　
　　2.2物理量
　　
　　(1)物理量的含义物理概念不仅是定性地反映客观事物的本质属性，而且有一些还定量地反映了客观事物的本质属性.对于后一种物理概念，我们也叫做物理量.如“加速度”、“力矩”、“电容”、“电势”等，即可以说它是物理概念，又可以说它们是物理量，而像机械运动、简谐振动、电磁波等，就只能说它们是物理概念，不能说它们是物理量.所以物理量隶属于物理概念，而且大多数是基本概念；物理概念则不一定是物理量.物理量在物理学中占重要地位，物理公式也就是由代表各个物理量的文字符号组成.
　　
　　(2)物理量的引入物理量是能够定量地反映客观事物（物体、物质、物理过程、物理事实、物理现象）的物理性质或特征的物理概念.物理量是物理概念，因此它自然是在实践（包括物理实验）中形成的.例如，在自然界和生产生活实际中，普遍存在着物体速度不断增加或减小的运动.我们考察各种物体的变速运动可以看到，在不同的变速运动里，速度改变的情况不一样，有的速度改变得快，有的改变得慢些.进一步观察、分析和研究可以看出，速度变化的快慢跟速度变化量有关，也跟发生速度变化的时间有关，但并不单独取决于它们中的任何一个，而是取决于速度变化量跟发生这种变化所用的时间的比.这个比值大，速度变化得快；比值小，速度变化得慢.并用“速度的变化量跟发生这种变化所用的时间的比叫做加速度”来定义.通常引用新物理量并不需要这样详加说明，可以简略地说，物理量是为了满足定量地表征客观事物（物理过程、事实或现象）的物理性质或特征的需要而引入的.为了定量地表征物体运动的快慢程度这一物理特征，引入了速度这个物理量.而当我们考察研究物体的加速运动时，速度变化快慢有所不同这一物理特征是速度这个物理量所不能表征的，于是我们又引入了一个新的物理量，就是加速度.
　　
　　(3)物理量的定义引入新的物理量，建立新的概念，自然要给它下定义，由此把该物理量所表征的客观事物的本质特征揭示出来.定义一个物理量要符合下述两个要求：1)定义的结果应该跟引用该量的目的一致；2)定义本身符合事物的客观实际，即定义所得到量值受客观事物的属性制约，事物给定，其量值不变，事物不同，其量值不同.实际上，物理量定义的这两个要求是能够同时满足的，让我们举例来说明这一点：物体在力的作用下沿着力的方向移动一段距离这一物理过程的特征，虽然这一物理过程的特征与这两个物理量有关，但是力和位移这两个物理量都不能单独予以表征.为此需要引用一个新的物理量，就是功.对不同的这种物理过程，功也将不同.所谓不同的物理过程，即两个过程的位移相同而力不相同，或者力相同而位移不同，那么这两个过程就是特征不同的物理过程，这是易于理解的.如果两个过程中的力和位移都互不相同，那么这两个过程不一定就是特征不同的物理过程，要看具体情况来定.假若两过程中力和位移的乘积相等，两过程的特征是相同的；若力和位移的乘积互不相等，两过程就是特征不同的物理过程.因此，我们将功定义为：功等于力跟物体在力的方向上位移的乘积.做功的过程是能量变化的过程，过程特征是否相同主要看能量变化是否相同.能量变化相同，则过程的特征相同，也必然是力和位移的乘积相同.因此，对做功这一物理过程的理解，不要受感性认识的束缚，误认为只要力或位移不同就一定是特征不同的物理过程.
　　
　　(4)物理量的定义式与决定式在大多数情况下，物理量的定义还用数学形式表达出来，这就是物理量的定义式.例如电容的定义式为C=Q/U.定义式原则性地表达了如何去量度一个物理量.例如根据R=U/I式，我们量度一个导体的电阻，可以用电压表和电流表分别测出导体两端的电压V和其中的电流I，从而量度出导体的电阻R.当然，我们也可以用惠斯通电桥，还可以用欧姆表来直接测出导体的电阻.量度仪器多种多样，构造原理也各不相同，但是它们在量度某一物理量时，都是不违背其定义式的.物理量的定义揭示了这个物理量所反映客观事物的根本特征，定义式创造了该物理量参与有关实际计算的条件.但物理量的定义或定义式并不能使我们认识到决定该物理量量值大小的条件是什么，而这又是很重要的.根据物理量的定义式，结合其他理论，利用数学可以推求出物理量大小的条件公式，这样的公式反映了各物理量间实际存在着的变化依赖关系.例如，由E=F/q和F=q1q2/4πε0r2导出E=q/4πε0r2；根据U=W/q，利用微积分方法计算出点电荷形成的电势U=q/4πε0r.有人把决定物理量大小的条件公式叫做计算式（或称决定式），这些公式实际上是定理.定义式具有普遍意义，凡有该物理量参与的场合，定义式都成立，都能适用.决定物理量大小的条件公式（决定式），都是根据定义式针对某些特定情况推导出来的，所以它的适用范围也就以这些特定情况为限.例如，E=q/4πε0r2只适用于点电荷形成的电场，对于大块带电导体所形成的电场和匀强电场则不成立.而定义式E=F/q对于这三种情况都是适用的.
　　
　　3物理概念与物理概念的联系构成物理学的基本定律
　　
　　物理规律是建立在物理概念基础上的更深一层次的物理知识，它反映物理概念间的相互关系.如果把物理知识看成是一座大厦，物理规律就是这座大厦的建筑结构，而物理概念则是构成这座大厦的建筑材料，没有建筑材料是不可能按一定结构盖起大厦的.物理规律与物理概念的关系，正如建筑结构与建筑材料的关系.物理学中的定律、定理等都是用有关的物理概念总结出来的.例如，惯性定律就包含有“外力”、“匀速直线运动”、“静止”等概念，没有这些概念，就不可能得出惯性定律.学生对这些概念没有正确的理解，就不可能真正掌握惯性定律.因此，首先使学生建立正确的物理概念，是使学生掌握物理规律的前提，没有这个前提，则物理规律的教学就无从谈起，学好物理就会成为一句空话.
　　
　　4结束语
　　
　　以上我们仅对物理概念的一些基本特征进行了一般性的讨论，也谈到了教学法,但只侧重谈如何引导学生理解和掌握这些基本特征，并未涉及具体的教学手段和方法.这应由广大一线教师来选择和创新，使学生通过对物理概念的学习，不仅知其然，更知其所以然，能从整体上、从本质上把握物理概念.