类比法在中学物理教学中的应用

杨新宇

(湖南省湘乡市教研室,湖南　湘乡　411400)



类比法在中学物理教学中的应用

杨新宇

(湖南省湘乡市教研室,湖南湘乡411400)

类比法就是把与某一类物理对象中有关联的物理知识内容和结论,迁移到另一类物理研究对象上,从而得出相同或相似的结论.本文从理解物理概念、理解物理规律以及物理解题三个方面论述类比法的实际应用.

类比法；物理概念；物理规律；物理解题

所谓类比就是“触类旁通”、“举一反三”,实际上是一种从特殊到特殊,从一般到一般的推理过程.它是根据两个或两类对象之间在某些方面的相同或相似，而推出他们在其他方面也可能相同或相似的一种逻辑思维方法.物理类比法是通过两类不同的物理研究对象或不同的物理研究问题进行横向或纵向比较,找出研究对象或问题之间的相同点和局部类似之处,把其中一个研究对象或与物理问题有关联的物理知识内容和结论,迁移到另一个研究对象或问题上,从而进行逻辑推论，得出它们可能相同或相似的结论.

类比法在中学物理教学中,对物理概念、规律等方面的学习和应用具有着重要的作用,可激发学生的学习积极性,变被动学习为主动学习.

1　类比法在物理概念教学中的应用

我们常用类比法来帮助学生理解物理概念,变抽象为形象.

(1) 初中物理在学习“电流”概念时,将“电流”类比为“水流”,将电荷在导线中的定向运动类比为水在水管里的流动.这样的类比使学生茅塞顿开,将看不见摸不着的东西生动形象地呈现在学生的脑海中.有了这一类比方法,在接下来学习串联电路、并联电路中电流的规律时,许多困难也就迎刃而解了.

(2) 在高中物理选修3-1的教学中,在研究“电动势”概念时:① 将“电源使电荷运动,增加电荷的电势能”类比为“抽水机抽水增加水的重力势能”.这样的类比可使学生理解“电荷的电势能增加”的问题.② 研究“非静电力做功的本领不同”时,用“不同的抽水机工作时,水能够被举高的高度有所不同,即单位质量的水所增加的重力势能不同”.有了这样的类比,“不同的电源,非静电力做功的本领也不相同”的结论自然而然地可以得出,并且为用“W非/q”表示电动势E做好了铺垫,学生学习起来感觉很轻松.

(3) 在高中物理选修3-1“静电场”一节中,“电场”概念的建立是极为重要的.但由于此概念比较抽象,学生往往难以理解.可以用力学中所学重力场与之类比:地球周围存在着重力场,地球上所有物体都处于重力场中,都受到了地球的作用,即重力.同样,电荷的周围存在着电场,电场对处于其中的电荷有电场力的作用.再由物体在重力场中有与地球位置相关的重力势能,引导学生总结出检验电荷在电场中也应具有与场源电荷位置有关的电势能.如此类比,相当于在新旧知识间架起了一座桥梁,让学生能够从已掌握的旧知识中顺利地接受和理解新知识.

这样将抽象知识用形象生动的事物来类比,可调动学生学习的积极性和主动性,有利于培养学生的观察能力和分析能力,能发挥学生学习的主观能动性,能培养学生的类比思维,当学生遇到抽象的概念时,能自主类比分析,既激发了学生的学习兴趣,又丰富了学习手段.

2　类比法在物理规律教学中的应用

(1) 在“原子结构”的教学中,将“太阳系”和“原子结构”进行类比.人类在17世纪就已经知道了太阳系的结构,我们将两者进行类比分析,找出一一对应关系:太阳类比原子核、行星类比核外电子、行星轨道类比电子轨道等.这样我们就对物质的结构有了清晰的认识.

(2) 用物体的“动能、重力势能”类比分子无规则运动时具有的“分子动能、分子势能”；用“手按压橡皮膜能使它发生形变”类比“液体内部作用使橡皮膜发生形变”，从而得出“液体内部存在着压强”.

(3) 场强E和电势U是两个描述电场的物理量,E、U与检验电荷q有无关系呢？在牛顿第二定律中M=F/a,当物体受到的合外力为零时,物体产生的加速度也为零,但物体的质量为一定值；再有,欧姆定律中R=U/I,若电阻不接入电路中,U、I均为零,但电阻R却一定.究其原因,这些规律都是事物本身的物质属性.这种简单的类比,使学生顿悟:E、U是描述电场本身性质的物理量,电场是客观存在的,与检验电荷无关,而定义式E=F/q、U=ε/q只是定义E、U和计算E、U大小的关系式.

采用“类比”的教学方法是用学生熟悉的、形象的、具体的模型和知识来类比说明陌生的、抽象的模型和知识,借助熟悉的事物特征去理解另一个可类比对象的特征,为学生知识建构提供支持条件、认知工具与策略.这样的类比加强了知识之间的横向联系,激发了学生学习的兴趣；既降低了某些物理新知识的教学难度,又增强了学生学好物理的信心.通过类比教学,新知识很容易被学生所接受和理解.这使得学生学得轻松愉快、理解更加深刻,学生逐步形成自己的思维模式,可增强学生自主学习物理的意识和能力.

3　解题中应用类比方法,可以事半功倍

在物理问题解决中,有些物理过程抽象、难懂，采用类比方法,可使问题变得具体、形象、直观、生动,可以增强说服力,达到浅显易懂的目的.中学物理研究的对象是物理模型,它包括物体模型(如质点、点电荷、单摆、弹簧振子、匀强电场、匀强磁场等)和运动模型(匀速运动、自由落体运动、平抛运动、匀速圆周运动、简谐振动、波动等).在解答分析物理问题时,若能运用类比法,将实体与模型相比较,找出其相似性,问题就迎刃而解了.

图1

例1:如图1所示,现有一个小物块,质量为m=80g,带正电荷q=2×10-4C,与水平轨道之间的动摩擦因数μ=0.2,在水平轨道的末端N处,连接一个光滑的半圆形轨道,半径为R=40cm.整个轨道处在一个方向水平向左、场强大小E=4×103V/m的匀强电场中,取g=10m/s2.(1) 若小物块恰能运动到轨道的最高点L,那么小物块应从距N点多远处的A点释放？(2) 如果小物块在(1)中的位置A释放,当它运动到P点(轨道中点)时轨道对它的支持力等于多少？

在该题中,物体在圆弧轨道NPL中运动时,始终受到竖直向下的重力和水平向左的电场力作用,并且这两个力都是恒力.若用一个力F来替代这两个力,那么物体就只受F和轨道支持力这两个力的作用.若我们将“恒力F”类比为“重力G”,这个问题就类似于竖直平面内的圆周运动,问题就可以迅速得到解决,化繁为简.

图2

例2:如图2所示,一个电子以速度v0=6.0×106m/s和仰角α=45°从带电平行板电容器的下板边缘向上板飞行.两板间场强E=2.0×104V/m,方向向上.若板间距离d=2.0×10-2m,板长L=10cm,问此电子能否从下板射至上板？它将击中极板的什么地方？

在该题设置的情景中,电子仅受竖直向下的电场力作用,且电场力大小始终不变.如果我们采用类比的思想,将这个“竖直向下的电场力”类比为“重力”,那么电子所做的运动就是我们很熟悉的“斜抛运动”,问题也就很快解决了.

采用类比的方法,可以启发学生积极思考,打破思维常规,广开思路,广泛联想,多方探求,勇于提出解决问题的新见解和新方案.物理学科的学习对各个阶段的学生来说总是感觉抽象,新旧知识无法连接,很难进行物理知识的迁移.通过物理概念、定理、定律、解题思维上的类比,让学生掌握物理知识的内部联系,总结出知识联结的内部规律,使复杂纷繁的知识更具有条理性,知识结构更加优化,进而促使物理知识的正迁移,令生疏的知识与原有知识发生同化,使学生能快速掌握新知识.

①本文系中国教育学会物理教学专业委员会科研课题“物理课堂小组合作学习的实效性研究——基于师生行为的心理学角度”子课题“教师行为对学生小组合作探究效度的影响”的阶段性研究成果.