楊新宇

(湖南省湘鄉(xiāng)市教研室,湖南　湘鄉(xiāng)　411400)

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類比法在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

楊新宇

(湖南省湘鄉(xiāng)市教研室,湖南湘鄉(xiāng)411400)

類比法就是把與某一類物理對象中有關(guān)聯(lián)的物理知識內(nèi)容和結(jié)論,遷移到另一類物理研究對象上,從而得出相同或相似的結(jié)論.本文從理解物理概念、理解物理規(guī)律以及物理解題三個(gè)方面論述類比法的實(shí)際應(yīng)用.

類比法；物理概念；物理規(guī)律；物理解題

所謂類比就是“觸類旁通”、“舉一反三”,實(shí)際上是一種從特殊到特殊,從一般到一般的推理過程.它是根據(jù)兩個(gè)或兩類對象之間在某些方面的相同或相似，而推出他們在其他方面也可能相同或相似的一種邏輯思維方法.物理類比法是通過兩類不同的物理研究對象或不同的物理研究問題進(jìn)行橫向或縱向比較,找出研究對象或問題之間的相同點(diǎn)和局部類似之處,把其中一個(gè)研究對象或與物理問題有關(guān)聯(lián)的物理知識內(nèi)容和結(jié)論,遷移到另一個(gè)研究對象或問題上,從而進(jìn)行邏輯推論，得出它們可能相同或相似的結(jié)論.

類比法在中學(xué)物理教學(xué)中,對物理概念、規(guī)律等方面的學(xué)習(xí)和應(yīng)用具有著重要的作用,可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí).

1　類比法在物理概念教學(xué)中的應(yīng)用

我們常用類比法來幫助學(xué)生理解物理概念,變抽象為形象.

(1) 初中物理在學(xué)習(xí)“電流”概念時(shí),將“電流”類比為“水流”,將電荷在導(dǎo)線中的定向運(yùn)動(dòng)類比為水在水管里的流動(dòng).這樣的類比使學(xué)生茅塞頓開,將看不見摸不著的東西生動(dòng)形象地呈現(xiàn)在學(xué)生的腦海中.有了這一類比方法,在接下來學(xué)習(xí)串聯(lián)電路、并聯(lián)電路中電流的規(guī)律時(shí),許多困難也就迎刃而解了.

(2) 在高中物理選修3-1的教學(xué)中,在研究“電動(dòng)勢”概念時(shí):① 將“電源使電荷運(yùn)動(dòng),增加電荷的電勢能”類比為“抽水機(jī)抽水增加水的重力勢能”.這樣的類比可使學(xué)生理解“電荷的電勢能增加”的問題.② 研究“非靜電力做功的本領(lǐng)不同”時(shí),用“不同的抽水機(jī)工作時(shí),水能夠被舉高的高度有所不同,即單位質(zhì)量的水所增加的重力勢能不同”.有了這樣的類比,“不同的電源,非靜電力做功的本領(lǐng)也不相同”的結(jié)論自然而然地可以得出,并且為用“W非/q”表示電動(dòng)勢E做好了鋪墊,學(xué)生學(xué)習(xí)起來感覺很輕松.

(3) 在高中物理選修3-1“靜電場”一節(jié)中,“電場”概念的建立是極為重要的.但由于此概念比較抽象,學(xué)生往往難以理解.可以用力學(xué)中所學(xué)重力場與之類比:地球周圍存在著重力場,地球上所有物體都處于重力場中,都受到了地球的作用,即重力.同樣,電荷的周圍存在著電場,電場對處于其中的電荷有電場力的作用.再由物體在重力場中有與地球位置相關(guān)的重力勢能,引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出檢驗(yàn)電荷在電場中也應(yīng)具有與場源電荷位置有關(guān)的電勢能.如此類比,相當(dāng)于在新舊知識間架起了一座橋梁,讓學(xué)生能夠從已掌握的舊知識中順利地接受和理解新知識.

這樣將抽象知識用形象生動(dòng)的事物來類比,可調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性,有利于培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和分析能力,能發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性,能培養(yǎng)學(xué)生的類比思維,當(dāng)學(xué)生遇到抽象的概念時(shí),能自主類比分析,既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,又豐富了學(xué)習(xí)手段.

2　類比法在物理規(guī)律教學(xué)中的應(yīng)用

(1) 在“原子結(jié)構(gòu)”的教學(xué)中,將“太陽系”和“原子結(jié)構(gòu)”進(jìn)行類比.人類在17世紀(jì)就已經(jīng)知道了太陽系的結(jié)構(gòu),我們將兩者進(jìn)行類比分析,找出一一對應(yīng)關(guān)系:太陽類比原子核、行星類比核外電子、行星軌道類比電子軌道等.這樣我們就對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)有了清晰的認(rèn)識.

(2) 用物體的“動(dòng)能、重力勢能”類比分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)具有的“分子動(dòng)能、分子勢能”；用“手按壓橡皮膜能使它發(fā)生形變”類比“液體內(nèi)部作用使橡皮膜發(fā)生形變”，從而得出“液體內(nèi)部存在著壓強(qiáng)”.

(3) 場強(qiáng)E和電勢U是兩個(gè)描述電場的物理量,E、U與檢驗(yàn)電荷q有無關(guān)系呢？在牛頓第二定律中M=F/a,當(dāng)物體受到的合外力為零時(shí),物體產(chǎn)生的加速度也為零,但物體的質(zhì)量為一定值；再有,歐姆定律中R=U/I,若電阻不接入電路中,U、I均為零,但電阻R卻一定.究其原因,這些規(guī)律都是事物本身的物質(zhì)屬性.這種簡單的類比,使學(xué)生頓悟:E、U是描述電場本身性質(zhì)的物理量,電場是客觀存在的,與檢驗(yàn)電荷無關(guān),而定義式E=F/q、U=ε/q只是定義E、U和計(jì)算E、U大小的關(guān)系式.

采用“類比”的教學(xué)方法是用學(xué)生熟悉的、形象的、具體的模型和知識來類比說明陌生的、抽象的模型和知識,借助熟悉的事物特征去理解另一個(gè)可類比對象的特征,為學(xué)生知識建構(gòu)提供支持條件、認(rèn)知工具與策略.這樣的類比加強(qiáng)了知識之間的橫向聯(lián)系,激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣；既降低了某些物理新知識的教學(xué)難度,又增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)好物理的信心.通過類比教學(xué),新知識很容易被學(xué)生所接受和理解.這使得學(xué)生學(xué)得輕松愉快、理解更加深刻,學(xué)生逐步形成自己的思維模式,可增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)物理的意識和能力.

3　解題中應(yīng)用類比方法,可以事半功倍

在物理問題解決中,有些物理過程抽象、難懂，采用類比方法,可使問題變得具體、形象、直觀、生動(dòng),可以增強(qiáng)說服力,達(dá)到淺顯易懂的目的.中學(xué)物理研究的對象是物理模型,它包括物體模型(如質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、單擺、彈簧振子、勻強(qiáng)電場、勻強(qiáng)磁場等)和運(yùn)動(dòng)模型(勻速運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、簡諧振動(dòng)、波動(dòng)等).在解答分析物理問題時(shí),若能運(yùn)用類比法,將實(shí)體與模型相比較,找出其相似性,問題就迎刃而解了.

圖1

例1:如圖1所示,現(xiàn)有一個(gè)小物塊,質(zhì)量為m=80g,帶正電荷q=2×10-4C,與水平軌道之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.2,在水平軌道的末端N處,連接一個(gè)光滑的半圓形軌道,半徑為R=40cm.整個(gè)軌道處在一個(gè)方向水平向左、場強(qiáng)大小E=4×103V/m的勻強(qiáng)電場中,取g=10m/s2.(1) 若小物塊恰能運(yùn)動(dòng)到軌道的最高點(diǎn)L,那么小物塊應(yīng)從距N點(diǎn)多遠(yuǎn)處的A點(diǎn)釋放？(2) 如果小物塊在(1)中的位置A釋放,當(dāng)它運(yùn)動(dòng)到P點(diǎn)(軌道中點(diǎn))時(shí)軌道對它的支持力等于多少？

在該題中,物體在圓弧軌道NPL中運(yùn)動(dòng)時(shí),始終受到豎直向下的重力和水平向左的電場力作用,并且這兩個(gè)力都是恒力.若用一個(gè)力F來替代這兩個(gè)力,那么物體就只受F和軌道支持力這兩個(gè)力的作用.若我們將“恒力F”類比為“重力G”,這個(gè)問題就類似于豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng),問題就可以迅速得到解決,化繁為簡.

圖2

例2:如圖2所示,一個(gè)電子以速度v0=6.0×106m/s和仰角α=45°從帶電平行板電容器的下板邊緣向上板飛行.兩板間場強(qiáng)E=2.0×104V/m,方向向上.若板間距離d=2.0×10-2m,板長L=10cm,問此電子能否從下板射至上板？它將擊中極板的什么地方？

在該題設(shè)置的情景中,電子僅受豎直向下的電場力作用,且電場力大小始終不變.如果我們采用類比的思想,將這個(gè)“豎直向下的電場力”類比為“重力”,那么電子所做的運(yùn)動(dòng)就是我們很熟悉的“斜拋運(yùn)動(dòng)”,問題也就很快解決了.

采用類比的方法,可以啟發(fā)學(xué)生積極思考,打破思維常規(guī),廣開思路,廣泛聯(lián)想,多方探求,勇于提出解決問題的新見解和新方案.物理學(xué)科的學(xué)習(xí)對各個(gè)階段的學(xué)生來說總是感覺抽象,新舊知識無法連接,很難進(jìn)行物理知識的遷移.通過物理概念、定理、定律、解題思維上的類比,讓學(xué)生掌握物理知識的內(nèi)部聯(lián)系,總結(jié)出知識聯(lián)結(jié)的內(nèi)部規(guī)律,使復(fù)雜紛繁的知識更具有條理性,知識結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化,進(jìn)而促使物理知識的正遷移,令生疏的知識與原有知識發(fā)生同化,使學(xué)生能快速掌握新知識.

①本文系中國教育學(xué)會(huì)物理教學(xué)專業(yè)委員會(huì)科研課題“物理課堂小組合作學(xué)習(xí)的實(shí)效性研究——基于師生行為的心理學(xué)角度”子課題“教師行為對學(xué)生小組合作探究效度的影響”的階段性研究成果.