運(yùn)用類比方法進(jìn)行多題歸一的習(xí)題教學(xué)

葉海娟 褚云杰

（嘉興市第五高級中學(xué) 浙江嘉興 314000）

運(yùn)用類比方法進(jìn)行多題歸一的習(xí)題教學(xué)

葉海娟 褚云杰

（嘉興市第五高級中學(xué) 浙江嘉興 314000）

物理習(xí)題教學(xué)是高中物理教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)之一，是教學(xué)效果反饋的重要渠道．本文嘗試在培養(yǎng)學(xué)生聚合性思維的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)象類比、模型類比、協(xié)變類比等類比方法，通過多題歸一的習(xí)題教學(xué)，使習(xí)題教學(xué)達(dá)到觸類旁通、舉一反三的效果，從而提高習(xí)題教學(xué)的有效性．

高中物理 習(xí)題教學(xué) 類比方法

1 問題的提出

眾所周知，習(xí)題教學(xué)是高中物理的重要組成部分．習(xí)題教學(xué)有助于學(xué)生鞏固、加深對物理概念、規(guī)律的理解和掌握．然而學(xué)生往往總是大量、重復(fù)性地進(jìn)行習(xí)題練習(xí)，而不重視習(xí)題的典型性、啟發(fā)性和針對性．為了解決習(xí)題教學(xué)的碎片化問題，我們可以嘗試從習(xí)題類比的角度出發(fā)，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)多題之間的共同特征，并做出描述；關(guān)注差別，研究這類問題大致的幾種類型；深入討論這類問題的本質(zhì)，形成可操作的解題模式；反思這類問題所蘊(yùn)藏的思想方法．從而使學(xué)生變注重解題的數(shù)量為注重解題的質(zhì)量和解題后的反思，力求做到吃透一道題，掌握一類題，悟出一些方法．讓學(xué)生從題海中解放出來．

2 理論基礎(chǔ)

所謂類比法，是根據(jù)兩個(gè)類比對象的某些相同或相似之處來推斷它們在其他方面也存在相同或相似之處，從而推斷它們在其他方面也存在相同或相似規(guī)律的一種思維方法，是從特殊到特殊（從個(gè)別到個(gè)別），從一般到一般的推理方法．

多題歸一的方法，中外教育家都提倡．美國心理學(xué)家賈德認(rèn)為，概括出一般原理容易遷移，而學(xué)生從教師那學(xué)會例題，到自己解題正是一個(gè)遷移的過程．多題歸一就是要從做過的許多題目中概括出一般原理來，這樣就容易遷移，容易應(yīng)用．在習(xí)題教學(xué)中嘗試在現(xiàn)象類比、模型類比、協(xié)變類比等方法的基礎(chǔ)上，尋求對“型異質(zhì)同”或“型近質(zhì)同”的問題的歸類，抓住共同的本質(zhì)特征，掌握解決問題的規(guī)律，就能觸類旁通、舉三反一．

3 實(shí)施策略

3．1 現(xiàn)象類比提供的多題歸一

現(xiàn)象類比是用類比法研究物理問題的第一步，就是用類比方法從兩種物理現(xiàn)象中找出某種聯(lián)系，找出共同特點(diǎn)，從而找出解決問題的共同方法或相似的方法．

【例1】人用繩子通過定滑輪拉物體A，A穿在光滑的豎直桿上，當(dāng)以速度v0勻速地拉繩使物體A到達(dá)如圖1所示位置時(shí)，繩與豎直桿的夾角為θ，則物體A實(shí)際運(yùn)動(dòng)的速度是

圖1

圖2

解析：由運(yùn)動(dòng)的合成與分解可知，物體A參與兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)，一個(gè)是沿著與它相連接的繩子的運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)是垂直于繩子向上的運(yùn)動(dòng)．而物體A實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡是沿著豎直桿向上的，這一軌跡所對應(yīng)的運(yùn)動(dòng)就是物體A的合運(yùn)動(dòng)，它們之間的關(guān)系如圖2所示．由三角函數(shù)可得所以選項(xiàng)D是正確的．

類比擴(kuò)展：有許多問題涉及的速度的效果，可與該例題相類比．

類比1：（2011年高考上海卷）如圖3所示，人沿平直的河岸以速度v行走，且通過不可伸長的繩拖船，船沿繩的方向行進(jìn)，此過程中繩始終與水面平行．當(dāng)繩與河岸的夾角為α?xí)r，船的速率為

圖3

類比2：如圖4所示，已知h＝2 m．小船以v＝4 m/s的速度勻速向左運(yùn)動(dòng)，并拉動(dòng)岸上的車，當(dāng)船經(jīng)圖中的A點(diǎn)時(shí)，繩與水平方向的夾角為θ＝60°，當(dāng)船經(jīng)過圖中B點(diǎn)時(shí)，繩子與水平方向的夾角θ·＝30°，求該過程車的速度變化了多少．

圖4

類比3：如圖5所示，一輕桿兩端分別固定質(zhì)量為mA和mB的兩個(gè)小球A和B（可視為質(zhì)點(diǎn)）．將其放在一個(gè)直角形光滑槽中，已知當(dāng)輕桿與槽左壁成α角時(shí)，A球沿槽下滑的速度為vA，求此時(shí)B球的速度vB．

圖5

總結(jié)提升：上述問題都是關(guān)于動(dòng)點(diǎn)牽連速度的問題．其中動(dòng)點(diǎn)相對于固定參考系的運(yùn)動(dòng)稱為絕對速度，根據(jù)速度矢量的分解，可以把絕對速度分解為相對速度（動(dòng)點(diǎn)相對于運(yùn)動(dòng)參考系的速度）和牽連速度（運(yùn)動(dòng)參考系相對于靜止參考系的速度）．所以解決問題的核心在于正確對速度進(jìn)行分解．具體來講就是分解為一個(gè)是沿著與它相連接的繩子（桿）的速度，另一個(gè)是垂直于繩子（桿）的速度．再利用沿著繩（桿）的速度大小相等這一約束條件，就可以很快捷地解決問題了（圖6～8所示為類比1～3的速度分解示意圖）．通過現(xiàn)象類比，我們在不同的物理現(xiàn)象中尋找出了相同的原理和共同的規(guī)律，培養(yǎng)了學(xué)生透過物理現(xiàn)象尋找物理本質(zhì)的能力．

圖6

圖7

圖8

3．2 模型類比提供多題歸一

如果能從兩個(gè)物理問題對應(yīng)的物理模型中所具有的一些明顯相同的特性出發(fā)，經(jīng)過類比，推斷出它們具有更多相同的特性，這就是模型類比．模型類比是將事物的本質(zhì)屬性進(jìn)行類比，是更高層次的類比．

【例2】電流的微觀表達(dá)式的推導(dǎo)．如圖9所示，AD表示粗細(xì)均勻的一段導(dǎo)體，長為l，兩端加一定的電壓，導(dǎo)體中的自由電荷沿導(dǎo)體定向移動(dòng)的速率為v．設(shè)導(dǎo)體的橫截面積為S，導(dǎo)體每單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為n，每個(gè)自由電荷的電荷量為q．

圖9

解析：假設(shè)AD導(dǎo)體中的自由電荷總數(shù)為N＝nl S，總電荷量Q＝Nq＝nl Sq．

所有這些電荷都通過橫截面D所需要的時(shí)間

根據(jù)公式q＝It可得導(dǎo)體AD中的電流為

類比擴(kuò)展：有許多問題的模型可與例題相類比．

類比5：水力采煤就是利用從高壓水槍噴出來的強(qiáng)力水柱沖擊煤層而使煤層破裂．設(shè)所用水槍的直徑為d，水速為v0，水的密度為ρ，水柱垂直地沖擊到豎直煤壁上后沿豎直煤壁流下，求水柱施于煤層上的沖力大?。?/p>

類比6：風(fēng)能是一種清潔能源，高原地區(qū)可利用風(fēng)能發(fā)電．某地的平均風(fēng)速是5．0 m/s，已知空氣的密度是1．2 kg/m3，此地有一風(fēng)車，它的車葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)形成半徑為20 m的圓面，假如這個(gè)風(fēng)車能將此圓圈內(nèi)10%的氣流動(dòng)能轉(zhuǎn)變成電能，這個(gè)風(fēng)車平均每秒內(nèi)發(fā)出的電能是多少？

總結(jié)提升：上述問題表面上看各不相同，但從實(shí)質(zhì)上看，這幾個(gè)問題都是屬于圓柱體模型的應(yīng)用．圓柱體模型是運(yùn)用在當(dāng)物質(zhì)或物理量隨時(shí)間或空間連續(xù)分布時(shí)，要求出這個(gè)物理量，往往可以截取一段圓柱體進(jìn)行研究，通過對這段圓柱體的研究探求整個(gè)物體的情況，當(dāng)物質(zhì)隨時(shí)間空間連續(xù)變化時(shí)，就可以利用圓柱體模型求解相應(yīng)的物理量．對類比4～6的解析如下．

解析類比4：把每一次輸送的血液簡化為圓柱體模型，輸送位移為圓柱體的長度為L，則平均功率可表達(dá)為

解析類比5：水流是由水質(zhì)點(diǎn)組成的連續(xù)體，在時(shí)間t內(nèi)射出的水量（即噴向煤層的水量）等于包含在以D為直徑、長l＝vt的直圓柱內(nèi)的水量，即

再由牛頓第二定律可知水對煤層的平均沖力為

解析類比6：設(shè)S為與空氣流動(dòng)方向垂直的車葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)形成的圓面，在單位時(shí)間內(nèi)穿過風(fēng)車的動(dòng)能

通過模型類比，我們一方面幫助了學(xué)生提高建立物理模型的能力，另一方面也有助于發(fā)展聯(lián)想思維，培養(yǎng)學(xué)生的推理能力和創(chuàng)造能力．

3．3 協(xié)變類比提供多題歸一

協(xié)變類比也稱數(shù)學(xué)相似類比，是根據(jù)兩個(gè)對象可能具有屬性之間的某種協(xié)變關(guān)系（定量的函數(shù)關(guān)系）進(jìn)行的類比推理．也就是說，兩個(gè)對象有若干屬性相同或相似，并且在兩者數(shù)學(xué)方程式相同或相似的情況下，推論在其他方面的屬性也相同或相似．

【例3】如圖10所示，在水平地面上有一段光滑圓弧形槽，弧的半徑是R，所對圓心角小于10°，現(xiàn)在圓弧的右側(cè)邊緣M處放一個(gè)小球A，在圓弧的最低點(diǎn)O的正上方h處由靜止釋放小球B，讓其自由下落，同時(shí)A球從圓弧右側(cè)由靜止釋放，欲使A，B兩球在圓弧最低點(diǎn)O處相遇，則B球下落的高度h是多少？

圖10

類比擴(kuò)展：有許多問題的數(shù)學(xué)模型可與例題相類比．

類比7：如果把地球看成一個(gè)半徑為R，密度均勻的圓球體，其質(zhì)量為M，并設(shè)想正對南、北極打一通道（圖11）．一個(gè)質(zhì)點(diǎn)為m的小球在北極洞口無初速度的落入洞內(nèi)，試分析小球落入洞內(nèi)后的運(yùn)動(dòng)，算出小球運(yùn)動(dòng)至南極洞口的時(shí)間．

圖11

類比8：一個(gè)氣缸平臥在水平地面上，其活塞質(zhì)量為m，截面積為S．已知外界大氣壓為p0．開始時(shí)活塞在離缸底l的位置上，如圖12所示．現(xiàn)使活塞稍向外移Δx（Δx?l），假定缸內(nèi)氣體溫度不變，試分析活塞的運(yùn)動(dòng)并算出第一次回到開始位置的時(shí)間．

圖12

類比9：在光滑絕緣水平桌面上相距2a的A，B兩點(diǎn)，各固定一個(gè)電量均為Q的帶正電荷的小球，在A，B連線的中點(diǎn)放一個(gè)可自由移動(dòng)、帶同種電荷的小球C，帶電量為q，質(zhì)量為m，如圖13所示．現(xiàn)使小球C沿A，B連線稍向A移動(dòng)一段距離x（x?a），然后輕輕釋放，試分析小球C的運(yùn)動(dòng)并算出它第一次回到中點(diǎn)的時(shí)間．

總結(jié)提升：上述的問題從表面上看類型完全不同，有的是力學(xué)表象，有的是電學(xué)表象，還有的是熱學(xué)表象．但我們通過數(shù)學(xué)的推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，在這些表象之下，隱藏著共同的數(shù)學(xué)規(guī)律（或者說協(xié)變關(guān)系），類比7～9解析如下．

解析類比7：當(dāng)小球落入洞內(nèi)經(jīng)某段時(shí)間后位于距球心x處，此時(shí)小球受到的引力為

它的方向始終指向地心，與小球離開球心的位移x相反．考慮到Fx與x的方向關(guān)系后，上式可寫成

這就是說，小球落進(jìn)地洞后，在變化著的地球引力作用下將沿通道做簡諧運(yùn)動(dòng)．即小球從北極洞口落到南極洞口的時(shí)間恰為半周期，即

解析類比8：當(dāng)活塞外移過程中，缸內(nèi)氣體發(fā)生的是等溫變化，根據(jù)玻意耳定律，有

上式表示，活塞從平衡位置稍稍外移，釋放后作用在活塞上的力與它偏離平衡位置的位移成正比，且其方向指向平衡位置與位移方向相反，于是，這個(gè)作用力便可表達(dá)為F＝-κΔx．這就是說，活塞偏離平衡位置釋放后將做簡諧運(yùn)動(dòng)．

解析類比9：小球C偏向A球時(shí)，A對C的斥力大于B對C的斥力，小球C所受合力為

這個(gè)力的方向與小球C偏離平衡位置的位移x的方向相反，始終指向平衡位置，所以，上式可改寫成

所以通過上述類比，一方面我們對于簡諧運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識更進(jìn)了一步，不僅僅局限在彈簧振子和單擺這兩種情況下，對于簡諧運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)本質(zhì)有了更加清晰的認(rèn)識，更重要的是，這也提供了一種解決問題的方法：從數(shù)學(xué)模型的角度去考察物理模型，從而理解物理模型的本質(zhì)特征．

4 結(jié)束語

多題歸一不僅是一種學(xué)習(xí)方式，也是一種課堂教學(xué)形式，是教與學(xué)的方法和策略，通過多題歸一的訓(xùn)練，使學(xué)生達(dá)到對新知識認(rèn)識的全面性；同時(shí)還要重視反思和系統(tǒng)化，引導(dǎo)學(xué)生回顧物理結(jié)論概括的整個(gè)思維過程，使新知識與已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的相關(guān)知識建立橫向聯(lián)系，并概括出帶有普遍性的規(guī)律，使學(xué)生對所學(xué)知識形成模塊，實(shí)現(xiàn)正遷移，培養(yǎng)學(xué)生思維的概括性，提高其解決問題的能力．

2014- 05- 27）