物理教学中的变与恒，本文主要内容关键词为：物理论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
客观的物质世界永远不停息地运动着，大到宇宙苍穹，小到分子、原子、各种微观粒子，无时无刻不在变化，变化使世界充满生机与活力，变化使世界多姿多彩，变化使世界神秘莫测。然而，在变化的背后往往蕴藏着不变的因素，正是这些不变的因素反映着世界的本质，规定着物质的属性，制约着各种变量间的关系；正是这些不变的因素才使人们揭开世界神秘的面纱，看清世界的本来面目，了解世界各个方面的内在联系。变中有恒，恒中有变，这就是物质世界的辩证统一。在中学物理教学中，不但要传授知识，培养方法，更重要的是引导和渗透认知世界的科学观念。让学生懂得由变去探索恒，由恒来把握变的认知方法和化变为恒的思维方法，用变与恒的观念去指导观察与思考，在变与恒的探索中认知世界，掌握规律，是我们中学物理教学的更基本的任务。
一、基本恒量反映物质世界的本质与联系
在纷繁的物质世界中，一些物理量相对稳定，保持不变，称为普适常量或普适常数。在中学物理中最基本的常量有：引力常量G，静电力常量k，普朗克常量h，真空光速c。
1.引力常量与静电力常量反映着物质世界的本质
我们熟知，引力常量表示质量为1kg的两个质点间相距1m时引力的大小。最初由卡文迪许巧妙地利用扭秤实验测出，其值为
，使牛顿提出的万有引力定律成为真正具有理论价值的规律，卡文迪许堪称称出地球质量的第一人。世间万物运动情况不同，形态各异，结构不一，而单位质量的物质产生引力的本领相同，不仅表明质量（引力质量）是引力之源，更重要的是它还表明世界的内在本质是同一的，它们应有共同的起源，且总量是一定的。虽然目前人们还不清楚引力的传递机制，但毕竟看到了揭去一层面纱的世界面目，参与引力作用，是这个世界物质的一种基本属性。
无独有偶，静电力常量则反映世界物质电性本质的同一性，电荷应有同一的起源，且电荷总量一定。人们已知静电有引力，同时也有斥力，是和谐的统一。既然万有引力和静电力规律有如此惊人的相似，那么与万有引力对应的万有斥力在哪里，引力常量和静电力常量数量级相差为何如此巨大仍然是个谜。这一层层的面纱有待于后人去揭示，它激励人们去探索、发现新的恒星，看到更深层次的本质。
2.普朗克常量与真空光速反映着物质世界的内在联系
普朗克常量是普朗克研究黑体辐射时提出的，为解释光电效应现象，爱因斯坦提出了光子说，认为光子的能量是不连续的，每一份光子的能量E=hv。在光的波粒二象性的基础上，德布罗意提出物质波的概念，认为波动性和粒子性是一切运动物体的共同的属性
，pλ=h，由此我们看到，普朗克常量九制约着运动物体的波动性和粒子性的关系，把两种不同的运动形式联系起来，体现了物质的运动形式的对立统一。真空光速c不变，是实验中得到的事实，是狭义相对论的实验基础。爱因斯坦提出质能方程
，使我们从本质上看到其重要性，真空光速c制约着物体的质量和能量的关系，把物质的质量和能量两方面的基本属性联系起来。
就是这么神奇，就是这么不可思议，看似不同的两种运动形式，物质的两种不同属性，在基本恒量的联姻下，竟然手挽手的连在了一起，透过这些基本恒量，我们看到了物质世界的本质：内在的同一性，对立的统一性，和谐性，简单性。
二、具体常量是我们认识具体世界的窗口
在具体条件下，保持不变的物理量称为具体常量。人们正是通过这些具体常量来研究和认识世间具体事物的本质和联系的。
在一定的温度和压强的条件下，某种物质的质量与其对应的体积的比为一常量（密度），这一常量反映该物质有别于其他物质的特性，人们据此把不同物质区分开来。
在物体做低速运动的条件下，物体所受的合力与物体的加速度的比为一常量（惯性质量），这一常量反映了物体运动状态改变的难易程度，人们据此把物体按其惯性的大小区分开来。
在一稳定的静电场中某一点，检验电荷在该点受到的电场力与其电荷量的比值为一常量，这一常量反映了该点电场的力的性质，人们据此可以研究电场的力的属性；……
不同的物质在相同的条件下具有内在的特殊性，具体常量的不同恰恰反映出它们不同的本质特征，让人们能区别它们，认识它们。同一物体，在不同的条件下，其性质不同。正是由于条件变化引起的物质性质的变化，才会有这丰富多彩的充满生机的大千世界。水在4℃时密度最大，导体在温度降到一定程度时会出现超导现象……具体常量随条件的变化，让人们了解物体的具体属性，从而发现具体物体的变化规律，把握物体自身变化的脉搏。
另一方面，一个系统在一定条件下发生的过程中，具体常量制约着各个变量间的关系，把各个状态联系起来。
一个相互作用的系统，在不受外力条件下的相互作用的过程中，系统中每个物体的动量都发生了变化，但系统总动量却守恒；物体和地球组成的系统，只有保守力做功的过程中，系统中的每个物体的机械能都发生了变化，但系统的总机械能却守恒；一定质量的理想气体，状态变化过程中，状态参量p、V、T都发生变化，但
＝常量；……这些系统在状态变化的过程中，变中有恒，是变与恒的对立统一。
三、化变量为常量是正确认识世界的科学方法和有效途径
1.控制变量法
世界是复杂的，它向人们展现的每一个现象，往往是多种变量共同作用的结果，要研究某一变量的作用效果，就要在实验室的条件下，人为地控制其他变量为恒量，只让某一变量起作用，来研究该变量的作用效果，从而发现规律，这就是控制变量法，是人类科学研究探索未知，认识世界的最基本的科学方法和有效途径。在中学物理课本中处处可见它的身影，如研究导体的电阻和导体的材料、长度、横截面积、温度的关系实验；物体的加速度和物体的质量、物体所受的外力的关系实验；导体中的电流和导体两端电压、导体的电阻的关系实验……
2.微元法
在复杂的物理过程中，某一物理量可能一直都在变化着，这种情况下，把整个过程分成许多小过程，只要过程足够小，对其微小的元过程，就可以把变化的量看做恒量来处理，从而使问题得到解决，这就是微元法。这种以大化小，以恒代变的思维方法，是物理先人首创的解决连续变化问题的科学思维方法。在中学物理教学中，要重视这一思维方法的培养，引导学生应用微元法解决实际问题。
在中学物理教材中，瞬时速度概念的引入，匀变速直线运动位移公式的推导，都是微元法的典型素材。变速运动中位移和速度都随时间在变化，为解决某一时刻的速度问题，把整个过程分为若干小过程，用平均速度粗略描述其运动快慢，当过程取得足够小，平均速度就可以代替瞬时速度了。对于匀变速直线运动，只要把这些足够小的元过程的位移加起来，就得到了整个过程的位移公式。以恒代变，即使学生清楚地了解了物理概念的含义，又使学生尝试了规律得出的思维过程。
例1 如图1(a)所法，一个人在岸上通过定滑轮O以均匀的速率v收绳子，将船拉向岸边，当绳与水平方向夹角为α时，船的速度为多少？
分析：如图1(b)所示，人通过滑轮均匀收绳，船在水平方向一直做变速运动，在很短的时间△t内，船从A运动到B，从B向OA作垂线，交OA于D，因为△t很小，船可以看做匀速运动，OB =OD，所以
。
图1
3.等效法
一个非均匀变化的过程，如果和某一个恒定变化的过程产生的效果相同，则可用恒定的变化过程来代替，以恒定变化来研究非均匀变化，化难为易，这就是等效法。如变速过程中平均速度，交变电流的有效值，两物体撞击过程中的平均作用力……都是按其效果，把变转化为恒的方法处理问题，从而使复杂问题简单化。
四、在教学实际中，注重变化与守恒观念的培养
变化是普遍的，变化是表面的，变化的背后往往有不变的因素在起决定和联系的作用，抓住那些不变的因素，方能看到本质，理清关系，解决问题。在教学实际中，要注重变化与守恒的观念的培养，更要用变化与守恒的观念去指导解决实际问题。下面通过一个问题的解决，来看变化与守恒的应用。
例2 两根长度均为l的刚性细杆，一端通过质量为m的球形铰链连接。另一端分别接质量为m和 2m的小球。将此装置的两杆并扰，铰链向上竖直放在桌面上，然后轻敲一下，使球往两边滑，但始终保持在竖直平面内，如图2所示，忽略杆的重力和一切摩擦，求：
图2
(1)铰链刚碰到桌面前的速度v；(2)两杆夹角为90°时，质量为2m的小球的速度
；(3)当两杆夹角为90°时，质量为2m的小球的位移
。
解析：(1)杆长不变，铰链碰到桌面前两小球速度均为零，由机械能守恒，
中学物理教学，目的不仅在于传授物理的学科知识，更重要的是培养研究、解决物理问题的科学方法，形成科学的理念。变与恒的思想，它不但是最基本的科学理念，还是探究未知的科学研究方法，是解决各种物理问题的科学思维方法。变与恒的思想既是世界观，又是方法论。在中学物理教学的实践中，无论是基本概念、基本规律的教学，还是实验教学、习题教学，都要始终如一的贯穿这一思想。通过潜移默化，学生形成科学理念，在科学理念的指导下，才能透过现象看清本质、把握联系，才能通过已知探索未知，才能在实践中勇于创新。