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阿城初中物理学科工作室

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【转载】第35讲 猜想假设与实验探究  

2013-01-23 21:59:13|  分类: 实验研究 |  标签: |举报 |字号 订阅

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第35讲     猜想假设与实验探究

一、题型综述 

牛顿曾经说过:"没有大胆的猜想,就不可能有伟大的发现。"在《初中物理课程标准》中,科学探究被列入学生的学习目标之一。而在科学探究的学习过程中,猜想这一环节有着举足轻重的地位。它能帮助探究者明确探究的内容和方向,为制定探究计划,设计探究方案奠定基础,为收集信息、分析与解释信息提供大致的方向和框架。

在近年来的各地市中考试题中,频频出现多种形式的科学猜想题。主要是考查同学们进行猜想和假设的能力,即让同学们根据已有的经验、知识和所探究问题的科学事实提出猜想和假设,经历提出猜想和假设在整个探究过程中所起的引导作用。

灵活运用"科学猜想法",首先,这可以激发和保持学生对所研究问题的兴趣和注意力,促进他们的定向思维活动,从而产生进一步探索解决问题的求知欲望,并帮助他们加深对所学知识的理解;其次,可以激发学生科学思维的发展,有利于培养他们的联想力、想象力和创造性思维能力;再次,"科学猜想"的提出,有助于指导学生分析、处理实验数据时有了明确的方向性,以利于比较顺利地得出科学结论,总结物理规律;最后,通过提出"科学猜想"和对猜想进行理论分析、实验论证的全过程,使他们从中学会探索知识的方法。

综上所述,"科学猜想法"被纳入中考热点之一,理所当然。

【注意事项】

所谓猜想,是用已知的物理知识对某些未知的事物作出科学的预测。物理学中有许多发现、发明都是通过物理学家在假想的前提下进行实验而获得,也有很多物理规律是在实验的基础上通过假想推理而得来。在科学发展的过程中很多的重大成就都是先由猜想而起的。在研究一些比较抽象的物理问题以及一些看不见的物质的性质时,"猜想法"更显示出它特有的功能。如此看来,"科学猜想法"是物理学中重要而应用广泛的一种科学研究方法。但我们在运用过程中,切忌以下两点:

1、"猜想"要有一定经验和知识作为基础
学生对提出的问题进行猜想过程应是对头脑中已存信息分析处理和加工的过程。所谓的"猜想",绝不能是凭空瞎想。而应该是在观察和实验的基础上,根据自然规律、科学原理和实验事实所提出的,它是科学性和客观性的辩证统一。也就是说,每种猜想的提出,都是根据已知的科学原理和科学事实,对未来的自然现象及其规律所作出的一种假设性的说明或假定性命题。所以在猜想之前学生必须具备一定的生活经验和知识。如果学生的头脑中根本没有类似的现象,则是难以猜想出来的。应该特别指出是:所提出来的一些猜想或假设,并不一定都是正确的,这些假定命题是否正确,尚需通过理论上的论证和事实来验证。

2、猜想要注意避免思维定势的影响

所谓思维定势,也就是我们平时所说的"习惯性思维",是人们从事某项心理活动的一种心理准备状态,也是人们长期形成的一种习惯思维方向。对于刚接触物理学科的初中学生,思维水平虽然已基本具备了一定的逻辑思维能力,但由于他们还未进行系统的物理思维训练,其物理知识、经验还有很大的局限性,其逻辑思维能力和思维品质还比较差。因此,探究的过程猜想的内容往往停留在现象,容易导致产生错误的猜想。如学生在探究摩擦力影响因素时,往往总是会把接触面积认为是影响摩擦力的因素之一。所以,我们在对某些物理现象作出猜想时,必须注意以事实为依据,作出科学合理的猜想,不得"想当然"。

二、典例分析

1、在已有知识基础上提出"科学猜想"

这种考查方式相对而言是比较简单的一种。它主要是通过同学们所学习过的物理知识、物理现象、物理实验等作为基石,要求同学们在此基础上,提出已经被提出过的合理性猜想,旨在考查学生对某些结论的验证过程。

例题1、积雪对公路行车的危害主要表现在路况的改变。路面积雪经车辆压实后,车轮与路面的摩擦力减小,汽车易左右滑摆。同时,汽车的制动距离也难以控制,一旦车速过快、转弯太急,都可能发生交通事故。专家研究表明,气温不同,积雪的厚薄不同,对汽车的危害也不一样。当积雪厚度在5-15cm,气温在0℃左右时,汽车最容易发生事故。因为在这种条件下,路面上的冰雪常会呈"夜冻昼化"状态。此时,护路工人常在路面上撒大量的盐,以避免"夜冻昼化"现象,即在相同气温条件下,融化了的冰雪不再结冰,从而减少交通事故的发生。
  提出问题:在相同气温条件下,为什么水不再结冰了?
  猜想与假设:请你用学过的物理知识,针对这一现象产生原因提出一个合理的猜想,并说出你猜想的理由。
  猜想:____________________________________________
  理由:____________________________________________
  分析与交流:除了在路面上撒盐外,你还有什么常用的办法,可以避免减少交通事故,这样做的道理是什么?
  方法:__________________________
  道理:__________________________

解析:本题涉及到探究过程的多个要素:进行猜想和假设、分析和交流。题设中已经提出了问题"在相同气温条件下,为什么水不再结冰了?",这就要求学生沿着水是否结冰这个问题进行猜想、假设和实验。

答案:猜想:盐可能改变了水的凝固点或盐可能改变了冰的熔点。

理由:因为在路面上撒大量的盐,可以避免"夜冻昼化"现象。

分析与交流:方法1:在路面上撒碳灰。道理:加快雪吸收热量,加速熔化;同时增大摩擦。

方法2:给车轮加防滑链。道理:最大车轮与地面之间的摩擦。

例题2、某同学发现家里用皮碗(如图1所示)挂东西,皮碗所能挂的物体重力大小与什么因素有关呢?

请你提出一种猜想: ________________________ ;

你猜想的依据是: __________________________________ 。

解析:此题信息的来源极为常见、简单,皮碗挂钩是同学们家中普遍使用的一种"小工艺品"。如果问起"皮碗为什么能够承担起一定的载重量"?相信同学们都会异口同声的回答:大气压强的作用。但皮碗所能挂的物体重力大小与什么因素有关的问题,可能就没有细细考虑过。此题就着眼于此,要求学生依据自己掌握的知识和经历提出不同的猜想,设计出不同的实验方案,是考查学生综合探究和创新设计的好题。

答案:答案不唯一,只要合理即可。可能的答案有:

①皮碗的面积大小。依据:大气压相同时,压力大小与受力面积有关;

②墙面的光滑程度。依据:压力相同时,接触面越粗糙,摩擦力越大;

 ③墙面的材料。依据:不同的材料,表面光滑程度可能不同;

④皮腕与墙面的清洁程度表面越脏,不能充分接触或无法尽力排气等。

2、根据生活常识提出"科学猜想"

此类题型的命题素材只要来自于同学们熟知的日常生活。即要求学生以各自的生活经验作为探索研究的出发点,联系生活经验进行"科学猜想"。由于学生的生活经验是多方面的,其中有的形成了正确的观念,有的却形成了片面的、不科学的甚至是错误的观念。因此,在解答此类题型时,必须注意要多结合与此专题相关的物理知识,从而进行正确的"猜想"。

例题3、自行车是我们熟悉的交通工具(如图2),请你发挥想象"假如没有摩擦",自行车会出现什么样的情况?写出两个合理的猜想。

解析:本题通过对同学们非常熟悉的交通工具——自行车设置"摩擦"的情境,激发起同学们理论联系实际的学习兴趣。"摩擦"的应用和防止在自行车的手把、刹车皮、轮胎的花纹等处都有着充分的体现。根据没有了摩擦,物体间即不再有力的作用,可以提出许多猜想。

答案:(1)假如没有摩擦,车子就不能动;(2)假如没有摩擦,运动的自行车就不能停下来;(3)假如没有摩擦,手就抓不稳手把;(4)假如没有摩擦,脚就不能踩踏板。

例题4、用一段细线将粗细均匀的直铁丝吊起后,直铁丝在水平位置处于平衡状态;若将右端折叠一段:(1)可能出现的现象是_____________________;(2)你猜想此现象的依据是______________________。

解析:解题关键是应将问题进行归类、分析,可以把这根用细线吊起的直铁丝看成是一个杠杆,要运用杠杆原理判断,看折叠以后左右两段杠杆的力和力臂的乘积谁大,谁就下沉。

答案:(1)可能出现的现象是:左段下沉

(2)依据:由于它粗细均匀,且开始时在水平位置处于平衡状态,所以支点位于直铁丝的重心且为它的几何中心,支点左右两段的重心到支点的距离相等,若将右端折叠一段,则支点右段的重心向支点方向移动,支点右段的力臂变小,支点左段的力与力臂的乘积大于支点右段的力与力臂的乘积,从而破坏了平衡,因此左段下沉。

3、阅读信息后提出与其相关的猜想

相对来说,此类试题的难度要大些。命题者只提供相关的材料,要求学生从材料中充分挖掘其内涵,并对其延伸与扩展,然后通过对陌生的对象和熟悉的对象进行对比,把未知的东西和已知的东西进行对比,运用"类比法",进行"科学猜想"。这种题型主要考查学生的联想力、想象力和创新思维的能力。

例题5、在科幻小说《往日之光》中,作者鲍勃·肖幻想了一种慢透光玻璃,讲述了一段美丽动人的故事:

"想象有一种玻璃,光在这种玻璃中运动的速度极慢,通过半厘米厚需要10年,比蜗牛的速度还慢得多。当一块慢透光玻璃制出来时,望上去总是一片漆黑,因为还没有光穿过它。把这种玻璃放在风景秀丽的林中、湖边,带着这些美丽景致的光陷入慢透光玻璃中,10年也出不来。把在这种地方放了10年的玻璃镶在城市住宅的窗户上,那么,在下一个10年的过程中,这个窗子外面便仿佛呈现出林中湖泊的美景:各种动物无声地前来饮水,空中百鸟飞翔,日夜在交替,季节在变化。身居闹市,犹如别墅。"

这确实是一个有意思的幻想,但关键是要降住飞驰的光。科学技术发展到今天,部分科幻已经开始变成现实。

(l)本文作者进行科学幻想的依据是什么?

(2)在生活和学习中,你一定也有许多奇思妙想吧?简要写出一种想象及其依据。

解析:试题情景优美,充满幻想,给人启迪。给出的问题提醒学生幻想要有依据,不能胡乱猜想。后一问更能激起学生的思维,只要联系所学知识,再插上想象的翅膀,就不难得出答案。

答案:(1)光在不同的介质中传播速度不同。(2)常温下制成超导体,依据是超导材料与温度有关;人想法固定在空中不用乘坐任何交通工具,就可以周游世界,依据是运动是相对的。

 

例题6、甲同学手中拿着一张纸条,问同学们:"谁能将它搁在两块木块之间?"乙同学走过来试了一下,结果纸条弯曲后滑到下面,如图3所示。甲同学说:"看我的吧。"说着他将纸条对折几次后,放在两个木块之间,并且还在上面放了一个粉笔盒。同学们对此都感到非常的惊奇!于是提出了一个研究课题:纸张承受的力与是否折它有关。请你继续完成后面有关的问题。

(1)你的猜想是:

(2)设计实验:

①器材和装置:

②步骤:

(3)你还能提出哪些猜想:

解析:此题实践性非常强,从甲同学的做法中,不难发现其间的解题关键:折。在此基础上,利用控制变量法,即可对此现象解析探究。

答案:猜想:纸张所能承受的力与折它有关(或纸张所能承受的力与折它无关)。

设计实验:

(1)器材和装置:三张大小不同的本子纸,一些砝码(或重物)、两块木块。

(2)步骤:

①将面积较小的纸放在两个木块之间,逐渐加放砝码,直到纸下弯,记下所加砝码的重力Ga;然后将小纸折叠后,重做上述实验,记下所加砝码的重力Gb;

②换中等大小的纸重复步骤①;

③换面积较大的纸,重复步骤①。

(3)纸张所能承受的力与折的纸的褶皱多少有关。

4、对所提出的猜想进行验证

提出的猜想不一定是完全正确的,只要是有根据的提出,就有研究的价值。故对已经提出的猜想进行验证,也是非常必要的。此类考题一般以实验设计为主要形式。即通过设计实验方案,然后分析论证,得出结论。一般做法是先分析该探究要解决什么问题,根据现有条件选择哪种方法,然后确定器材以及构思出操作步骤。

例题7、某物理课外兴趣小组对鸡蛋的新鲜程度与鸡蛋的平均密度是否有关作出猜想,为了研究这一问题,该小组取来一些新鲜程度不同的鸡蛋,分别测出它们的平均密度,再进行分析研究,请你在下表中设计两种不同的实验方案,测出鸡蛋的平均密度。


设计的方案

方案1

方案2

实验的简要步骤和要测的物理量(用字母表示)

   

所测鸡蛋的平均密度表达式(用字母表示)

ρ=

ρ=


解析:探究的目的是为了验证猜想的正确与否,这是一道传统的测量密度的实验题,试题难度并不高,它结合了生活实际,具有探究性质,学生可以在答题中享受一种亲切愉快的情绪体验,这正是新课程的倡导的。

答案:方案一:(1)测出鸡蛋的质量m(用天平测质量或弹簧测力计测重力)

(2)测出鸡蛋的体积V(用量筒或量杯排液法测体积,用弹簧测力计测浮力法测体积或用溢水杯和量筒间接法测体积);表达式:ρ=m/v。

方案二:(1)配制一定浓度的盐水,使鸡蛋恰好能悬浮其中;

(2)用密度计测出盐水的密度,即鸡蛋的平均密度;表达式为:ρ=ρ盐水。

例题8、小明想用实验探究铁芯的粗细对电磁铁强弱的影响,请你帮他设计。在下面写出探究过程。

研究课题:                

猜想或假设:                    

设计实验并进行实验:                

①器材和装置:                  

②步骤:                     

③实验记录表格:

分析与论证:                   

在刚才的实验中,我们看到:              

评估:                         

对电磁铁你还能提出的可研究的课题是:               [来源:Z#xx#k.Com]

解析:科学探究的学习,要求学生能全面考虑探究活动的七个要素,独立设计完整的探究方案。本题目给出了探究活动的流程,只是要求学生根据题目的框架来完成探究活动的设计,这属于初步的探究要求。进一步的要求是,题目只提供情景,由学生自己在情境中提出可探究的问题,并完成探究方案的设计。

答案:课题——电磁铁的磁性强弱与铁心的粗细有关吗?

猜想:可能铁心越粗,磁性越强。

器材:电源、电流表、滑动变阻器、大头针一盒、螺线管、开关、三根粗细不同的铁芯、导线若干。


铁芯

细铁芯[来源:学科网]

中铁芯

粗铁芯

吸引大头针个数

     

步骤:①先将电源、电流表、滑动变阻器、螺线管、开关连成一串联电路。②闭合开关,移动滑动变阻器,使电流表的读数为某一固定值。③插入细铁芯,用电磁铁去吸引大头针,数出其个数。④换用粗铁芯,重复③。

论证:电流和线圈匝数一定时,电磁铁的磁性与铁芯粗细无关。

评估:①电磁铁的磁性与电流方向有关吗?②电磁铁的磁性与线圈匝数有关吗?③电磁铁为什么要用铁芯,而不用钢芯?

三、提高练习

1、饺子是我国的传统美食,你知道吗?就是在煮饺子这一看似再平常不过的小事中,却蕴藏着丰富的物理知识。如在煮饺子的过程中,可观察到如下现象:饺子刚放入时,沉在水底;煮一段时间后,就浮了起来。饺子为什么会浮起来?请提出你的猜想并给出说明。

我猜想的原因可能是:____________________________________________;我的根据是:___________________________________________________。

还有可能的原因我认为是:___________ ____;我的根据是:_____________________。

答案:(1)沸水上下翻滚带起了饺子。依据是饺子受到了沸水力的作用;

(2)水沸腾后饺子表面吸附了一些气泡,托起了饺子。依据是饺子表面吸附的这些气泡增大了饺子所受水的浮力;

  (3)煮熟后的饺子密度小,因此会浮起来。依据是物体的浮沉条件,即当浸在液体中的物体的密度小于液体密度时,物体就会上浮;

(4)饺子内的空气受热膨胀,使饺子体积变大。依据是物体的浮沉条件,即当物体的重力小于所受浮力时就会上浮。

2、液态的露和固态的霜都是水蒸气凝结成的。水蒸气有时候会凝结成露,有时候会凝结成霜。

(1)是什么因素影响水蒸气凝结成露还是霜?请提出你的一个猜想。

(2)请设计一个实验检验你的猜想(写出主要的实验步骤)。

答案:(1)水蒸气凝结成路还是凝结成霜与当时的环境温度有关。

(2)实验步骤:①分别设定冰箱的温度,一次在零上,一次在零下;②将一片树叶分两次放进设定好温度的冰箱中,过一会取出;③观察树叶上有露还是有霜出现,即可检验猜想。

3、某同学用如图4所示装置测定滑轮组的机械效率.在实验前,请你帮他猜想该装置中可能影响其效率高低的主要因素有哪些?(要求写出两种即可)

猜想(1) ;[来源:学科网]

猜想(2) 。

答案:1、动滑轮的重力可能影响滑轮组的机械效率;

2、提升物体的重力可能影响滑轮组的机械效率;

3、摩擦及绳重可能影响滑轮组的机械效率

4、提升物体的高度可能影响滑轮组的机械效率。

4、科学探究摩擦力对物体运动的影响。如下图5所示给水平桌面铺上粗糙程度不同的物体(如毛巾、棉布等),让小车自斜面顶端从静止开始滑下。观察小车从同一高度滑下后,在不同表面运动的距离。

 

 

[来源:Z+xx+k.Com]

实验结论:表面越光滑,小车运动的距离越  ,这说明小车受到的磨擦力越  。

猜想:如果物体不受力,它将                 。

答案:远,小,永远匀速直线运动下去。

5、对"斜面的机械效率与什么因素有关?"这一课题,有如下一些值得探究的猜想:

①斜面的机械效率与斜面的倾斜程度有关;

②斜面的机械效率与斜面的粗糙程度有关;

③斜面的机械效率与斜面的长度有关;

④斜面的机械效率与物体的重力有关。

给你如图6所示的装置,请你完成下表:


猜想

补充的器材

控制不变的因素

   

   

   

   

答案:1、弹簧测力计、刻度尺;斜面长、斜面高、斜面粗糙程度、物体重

2、弹簧测力计、刻度尺、毛巾;斜面长、斜面高、物体重

3、弹簧测力计、刻度尺;斜面高、斜面粗糙程度、物体重

4、弹簧测力计、刻度尺、不同的重物;斜面长、斜面高、斜面粗糙程度。

6、小明在探究"压力的作用效果跟什么因素有关"的实验中,得出了"压力的作用效果跟压力大小有关"的结论.但压力的作用效果还跟哪些因素有关呢?现有如下器材:一个玻璃杯、一块硬纸片、一块海绵、弹簧秤和一些水.

(1)请你提出一个新的猜想:

(2)为了验证你的猜想,请你从给出的器材中选择所需要的器材:

(3)简要写出实验步骤和可能出现的现象.

(4)根据可能出现的实验现象得出的结论:

答案:(1)压力的作用效果跟受力面积有关

(2)玻璃杯、海绵

(3)①将玻璃杯正放在海绵上,观察海绵的凹陷程度

②将玻璃杯倒放在海绵上,观察海绵的凹陷程度会加深

(4)压力的作用效果跟受力面积大小有关(或压力一定时,受力面积越小,压力的作用效果越显著)

7、我们经常可以看到这种现象:汽车在马路上快速驶过以后,马路两边的树叶会随风飘动.如图7所示,马路两边的树叶会 沿着A、B、C哪一个方向飘动?请你猜想并说明理由. 

答案: 猜想:马路两旁的树叶会沿着A方向飘动.

理由:因为汽车快速行驶时,马路中间的空气流速大,空气压强小(2分),所以两边的气压就把树叶压向中间.

8、在探究"定值电阻上的电流跟电压的关系"中:

(1)我们首先会提出什么问题? ;

(2)写出你有什么猜想? ;

猜想不是胡猜乱想,你猜想的理由是 。

(3)在设计实验时,需改变电压,多次测量,你在实验中是采用什么办法的?

说出你所用的器材 方法 ;

(4)通过分析记录数据,你得出的结论(用公式表示)是: 。

答案:(1)通过定值电阻上的电流与电压之间有什么关系呢?

(2)可能通过定值电阻上的电流与电压成正比,理由:因为电压是形成电流的原因。

(3)滑动变阻器:移动滑片

(4)I=U/R 。

9、探究电磁铁的磁性跟哪些因素有关,小曼同学作出以下猜想:

猜想A:电磁铁通电时有磁性,断电时没有磁性

猜想B:通过电磁铁的电流越大,它的磁性越强

猜想C:外形相同的螺线管,线圈的匝数越多,它的磁性越强

为检验上述猜想是否正确,小曼所在小组通过交流与合作设计了以下实验方案:

用漆包线(表面涂有绝缘漆的导线)在大铁钉上绕制若干圈,制成简单的电磁铁.图8所示的a、b、c、d为实验中观察到的四种情况.

 

 

 

 

根据小曼的猜想和实验,完成下面填空:

(1)通过观察电磁铁 ,可判断它磁性的强弱.

(2)通过比较 两种情况,可以验证猜想A是正确的.

(3)通过比较 两种情况,可以验证猜想B是正确的.

(4)通过比较d中甲、乙两电磁铁,发现猜想C不全面,应补充     .

(5)小曼做完实验又提出了一个新的问题:若将d中甲的铁钉去掉,那么甲、乙吸引大头针数目是否还是甲多乙少呢?于是进一步猜想:

D、甲多乙少 E、甲少乙多 F、甲一个也不吸引 G、无法判定

你认为她的猜想最有理由成立的是 ;(填字母)并陈述你的理由 。

答案:(1)吸引大头针数目的多少 (2)a b(或a c或a d) (3)b c

(4)在电流相等时 (5)G 因为甲乙电流相等,乙虽比甲匝数少,但有铁芯会增强磁性,所以,有两个变量不一样,不好比较。

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