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。学生形成正确的物理概念的过程中,学到的不仅是物理知识,还能发展学生分析问题和解决问题的能力,激发他们的科学探索精神,进而实现科学素养的提高。
对概念的理解,应该了解概念具有确定的内涵与外延,物理概念的内涵是指概念所反映的物理现象、物理过程所特有的本质属性,是该事物区别于其他事物的本质特征(一般用定义说明)。物理概念的外延是指具有概念所反映的本质属性的对象,即通常所说的物理概念的适用条件与范围。例如,“力的概念”“力是物体对物体的作用,物体间力的作用是相互的”,内涵就是说“力是物体间的相互作用”;外延:力的概念所反映的对象有重力、弹力、摩擦力、磁场对电流的作用力、万有引力等。
(一)物理概念的特点
一般来说,物理概念具有以下特点。
1.物理概念是观察、实验和科学思维相结合的产物
物理概念的建立,通常是在观察和分析一系列事实或实验的基础上,运用科学的思维方法,排除片面的、偶然的、非本质的因素,抽象概括出的一系列物理现象的本质特征。
2.大量物理概念具有定量的性质
许多物理概念所反映的客观事物的本质属性具有明显定量的性质,换言之,这些概念可以用一个能够测量的量来表示,例如位移、加速度、电阻、磁感应强度等,这类概念就是通常我们所说的“物理量”。由于物理概念大多具有定量的性质,因此,物理学总是与数学和实验测量密不可分。
3.物理概念的发展性
概念是发展的,讲物理概念,必须按照循序渐进的教学原则,物理概念随着人们掌握物理知识的不断增加,研究物理问题的不断深入而不断变化和发展。教学应注意形成概念的阶段性。学生对概念的认识,需要遵循从简单到复杂的基本规律。身为中学物理教师,应充分了解初、高中物理概念表述的异同及原因,这对教师开展有效的物理概念教学至关重要。
在中学物理教学中,有些概念看似简单,内涵却十分丰富。例如,质量这一概念,初中阶段的定义是“物体所含物质的多少叫做物体的质量”,这种提法通俗易懂,初中阶段的学生容易接受;到了高中阶段,随着学习的深入,“质量是物体惯性大小的量度”,这是由牛顿第一定律提出的,反映了物体的一种属性——惯性质量;“质量是物体产生引力和受引力场作用能力大小的量度”,这是由万有引力定律提出的,表明物体的这种能力大小是用质量表征的——引力质量;“质量是作为物体所蕴藏的能量的量度”,这是从相对论的质能方程E=mc2提出的,物质的质量和能量之间存在着必然联系——能量质量。作为物理教师,我们应关注整个中学物理教学过程,理清这些概念从什么时候开始出现、再次出现又反复出现的,每次出现在什么地方,如何采取有效的策略促进学生的认识更加深入。
(二)物理概念的分类
物理概念的分类:关于物理概念的分类角度和标准不同,就有很多种不同的分类方法。比如:从认识论角度,物理概念分为,具体概念(力、速度、加速度、折射率)、抽象概念(能、场、质点)和特殊概念(时间、空间);另外的分类方法有根据对物理现象和过程的性质、相互关系的描述方式来划分的,主要以下几种,反映物质属性的概念(惯性、质量、能量)、反映物体及其性质的概念(速度、加速度、密度、功率、比热、电场强度、电容)、反映物质间相互作用关系的概念(力、力矩、压强、冲量、功、热量)。
从质和量的辩证关系角度,可以将物理概念大体分为两类:定性概念和定量概念。所谓定性的概念,只有质的规定性的物理概念,定性地反映物理现象和物理过程本质属性的概念。如机械运动、机械振动、干涉、衍射、电磁波等等。对于定性概念,通过对一类物理现象的分析、综合,抽象出其本质特征,用语言来加以定义。如“一个物体相对于其他物体的位置的变化叫做机械运动。”对于定性的概念,要求学生明确它反映了什么物理现象和过程的本质属性。
所谓定量的概念,既具有质的规定性,又具有量的规定性,定量地反映物理现象和过程本质属性的概念。如:速度、加速度、电场强度、电势、磁感应强度、磁通量等等。我们把这类物理概念称为物理量。物理量既反映出物理现象的质的特征,又从量的角度反映物理现象的性质。物理学是研究物理现象和物质结构的基本规律的一门科学,物理学具有严密的数学体系,因此,物理量是物理概念的重要组成部分,定量地描述物理规律离不开物理量。应该说物理概念中绝大多数具有定量的性质,这也就是前面概括概念的特点时说“绝大多数物理概念具有定量性的原因。”
定性物理概念,虽然没有直接的定量性质,但在表述和研究它们时,往往离不开定量的描述。例如,机械运动,这个概念,实际上表示物体在空间的位置随时间的变动,这里归根到底仍然涉及位置和时间的函数关系。
关于定量概念还要细化,物理概念大多都是定量概念,也称物理量,依照物理量描述客观事物本质属性的性质来划分,又可细分为如下几种类型。
1.状态量和过程量
状态量是描写状态的物理量。研究对象的状态一定,它就有确定的量值。如速度、加速度、气体体积和压强等,这些物理量是用来描写状态的物理量,状态量往往可以用态函数来表示。
过程量是描写过程的物理量,力学中的位移、功、冲量、热学中的热量等等,都是过程量。一般说来,不同的过程,具有不同的量值。
2.性质量和作用量
性质量是描写物质或物体的某种性质的量,如密度、劲度系数、比热容、电阻、电场强度、介电常数、磁感应强度、电容等等。
作用量是描写物体间相互作用的量,如力、力矩、功、冲量等。
3.矢量和标量
有些物理量他们即有大小,又有方向,是矢量,如力、速度、加速度、动量、电场强度等,矢量的叠加应遵循几何学法则,即平行四边形法则。只有大小、没有方向的量,是标量,如时间、质量、功、能、电势,标量的运算遵循代数学法则。
4.相对量和绝对量
凡与选择参照物或坐标系有关的物理量都是相对量,如位移、速度、动量、动能、势能、功、电场强度、磁感应强度等等。凡与参照系的选择无关的物理量都是绝对量,如各种普适恒量(劲度系数、阿伏伽德罗常数、万有引力常数、介电常数等),再如在两个惯性参照系符合伽利略变化的条件下,力、加速度、质量等。
5.基本物理量和导出物理量
物理量依照国际单位制来划分,又可分为基本物理量和导出物理量。基本物理量是人们根据需要而选定的。基本量不是用其他物理量来定义的。基本量的数目应该是能融洽一致地和明确地描述物理学中所有各量所必需的最小数目。目前,国际单位制中采用的基本物理量有七个:长度、质量、时间、电流、热力学温度、发光强度和物质的量。它们的计量单位分别是米、千克、秒、安培、开尔文、坎德拉和摩尔。
导出物理量是以基本物理量为基础,按照某种定义或根据有关公式推导出来的物理量,因此一切导出物理量都可以用基本物理量的组合方式来表达。在力学中,所有物理量都可以由长度、质量和时间这三个基本量导出;在电学中,除了上述三个基本量,再加上电流这个基本量,就可以导出所有的电学物理量。