基于類比思想的物理教學實踐探討

郭健

【摘 要】類比是科學研究中的一種重要的思想方法，物理教學注重學生的技能訓練、能力培養(yǎng)。本文對高中物理的新課教學及習題教學中滲透類比思想的教學實例初步的作了探討和總結。

【關鍵詞】類比;思想方法;物理教學;實踐探討

類比法是根據(jù)兩類對象之間在某些方面的類似或相同， 而推斷它們在其它方面也可能類似或相同的邏輯思維方法。類比法是科學發(fā)展中非常重要的一種研究方法，也是探索新知和改進創(chuàng)新的重要途徑之一。如果我們在新形勢的課堂教學實踐中適當?shù)貪B透并應用類比法，可以讓學生更好地理解相關的理論知識，并提高他們的科學素養(yǎng)、創(chuàng)新能力和探索精神。

1.類比法在新授課中對舊有知識的引導與銜接

物理學各部分規(guī)律及概念之間均有存在的內(nèi)在聯(lián)系。在課堂上，通過對新舊知識進行類比，使學生易于理解相對抽象的新知識，同時也鞏固了舊知識，還幫助學生建立統(tǒng)一的知識體系。以下幾例均能以類比引入新課，化抽象為形象，最終提高課堂的學習效率。

實例1：靜電場與引力場的類比。進行靜電場一章的教學時，可以將它與引力場進行類比，可以幫助學生較容易的理解相對抽象的電場。

1.1兩種場力的表達形式類比。

引力場：F=G;電場：F=k。都滿足平方反比規(guī)律。

1.2兩種場的強弱概念類比。

為了較容易的理解E的定義，可以首先復習萬有引力與地球上物體所受重力關系F=mg，然后可以提問：同樣的物體，在月球表面要比在地球表面重力小的多，說明兩星球表面的什么物理量不同？它與物體的質(zhì)量有關嗎？可能與什么因素有關？這樣通過類比，可以較快速的得出，在電場中，任意點的電場強度E由場源電荷決定而與試探電荷電量無關，從而推導出E=。

1.3兩種場的能量表達類比。

電勢能與重力勢能關系相似：重力場中，重力做功引起重力勢能變化;而電場中，電場力做功引起電勢能變化。變化關系及物理量使用上也相似：電勢類比高度，兩者都具有相對性;電勢差類比高度差;等勢面類比等高線。各量可以在公式W=qU與W=mgh的對比中一一類比。

類似地，在磁場部分的教學時，同樣可以對電場與磁場性質(zhì)進行類比。在電場中，任意點的電場強度E由場源電荷決定而與試探電荷無關，可類比為：在磁場中，任意點的磁感應強度也由場源決定，與放置的電流元無關。從而引出B的定義式B=。另外對于此定義式的理解，同樣可類比E=、U=這幾個公式，指出式中定義出的量都與等號右側各量是無關的。這有助于我們較容易和深刻的理解“場”這一抽象的概念。

例2： 玻爾模型的能級與躍遷理論也是很抽象的知識點，可類比衛(wèi)星繞地球的運行。例如可以提問：當衛(wèi)星要運行得離地球更遠一些時，需要加速還是減速;到達更遠軌道時，衛(wèi)星的速度是否比較原來變快了？這幾個問題學生是較易理解的，玻爾能級理論與躍遷時吸收或輻射能量的探討也就很容易的進行了。

例3：分子間的作用力與勢能，可以類比為水平方向上的彈簧所連接小球受到的彈力與彈性勢能。

如上圖1所示，三種情況分別可類比兩分子之間的距離rr0三種情況，勢能的情況也同樣可以類比。這樣學生就較易理解分子力這一較抽象的概念。

2.類比法在解決習題過程中對陌生模型的遷移與轉化

在物理教學中，很多新的知識與舊知識在思想、方法等方面都有著一定的聯(lián)系，此基礎上通過類比可以探索出很多新知識、新方法。高考試題在平時的練習中，學生往往不可能碰到，是一些相對全新的情景或模型，但是考綱又明確告知不可能脫離高中物理的教學實際，這二者并不矛盾。這就體現(xiàn)在碰到陌生的問題時，要求學生運用包括觀察、歸納、類比、猜想、聯(lián)想、直覺、靈感等各種思維過程的綜合運用，作出一個從條件到結論的合情推理，最終尋得解題思路。類比，正是其中必不可少的重要途徑之一。在平時的習題教學中貫徹類比思想，可以極大地激發(fā)出學生的興趣，符合了學生的好奇與探究的心理，最終提高學生解題與創(chuàng)新能力，并能在最終的考試中勝出。例如：

2012北京高考物理23題：摩天大樓中一部客運電梯，行程超過百米，簡化模型如下圖2，電梯的加速度a隨t是變化的。已知在t=0時由靜止開始上升，a-t圖像如圖2所示。電梯總質(zhì)量m=2×103kg，忽略一切阻力，g=10m/s2。

（1） 求電梯在上升過程中受到的最大拉力F1和F2最小拉力;

（2）類比是一種常用的研究方法，對于直線運動，教科書中講解了由v-t圖像求位移的方法。請你借鑒此方法對比加速度和速度的定義，根據(jù)圖3所示a-t圖像，求電梯在第1s內(nèi)的速度改變量△v1和第2s末的速度v2;

（3）求電梯以最大速度上升時，拉力做功的功率P，再求0-11s時間內(nèi)，拉力和重力對電梯所做的總功W。

題目本身是一個包括變加速運動在內(nèi)的多過程問題，難度中等。關鍵我們來觀察一下第2小問題，題設中要求對a-t圖像分析后，求速度的變化量，如果沒有關于“類比是……”這一段的提示，學生可能沒辦法下筆。因為對于變加速運動過程，需要用到高等數(shù)學的思想。但是由v-t圖像來求位移大小，學生都熟悉。通過題中提示：結合a與v的定義，通過自己的類比思考，就能想到a-t圖像與坐標軸所圍面積即為△v。即可求得第1s內(nèi)的速度改變量△v1=0.5m/s，前2秒內(nèi)△v2=v2-v0=1.5m/s，第2s末的速度v2=1.5m/s。

高考考題越來越傾向于體現(xiàn)考能力，考素質(zhì)，考題中涌現(xiàn)新模型時，學生的心理素質(zhì)和平時的方法訓練就顯得尤為重要，類比法能讓學生聯(lián)想和借鑒平時所熟知的模型，通過比較并借用相類似的方法就能快速的找到解題的突破口了。我們再來看下面一例：

（江蘇模擬卷，有改動）一根輕彈簧左端固定，右端系住一物塊，地面有摩擦，現(xiàn)將彈簧壓縮到A點后釋放，物塊運動到B點速度變?yōu)榱悖琌為彈簧自然長度位置，AB距離為x0，物塊從A到B的過程中，彈簧的加速度a大小、速度v大小隨位移x的變化關系下列圖中哪些可能是正確的？

本題結合彈簧的受力特點，并運用牛頓運動定律分析物體的運動狀態(tài)變化，但有幾個疑難點需要突破：①圖表分析中橫坐標變化量為x而不是大家常見的時間t;②AO段與BO段并不相等，AO>BO;③合外力為零的位置是否在AB段的中間點x0/2處。

第三個疑點尤其不易突破。一般的思路：以O作為原點設立向右的坐標軸x，并規(guī)定向右為正（注意：之所以與題設中設置的坐標不同是因為下面列方程的直觀與方便），假設在A、B兩點的坐標分別為x1、x2：

運用功能關系可得：μmgx0=kx22-kx12…………（1）

再由上圖可知關系式：x0=x2-x1………………………（2）

聯(lián)立（1）（2）兩式，解得μmg=k，這個結果說明：平衡位置是在AB段的中點。

但是，且不說彈簧的勢能方程學生是否能運用，僅從功能關系來討論位移與形變量的思路很多學生就想不到。那是否有其他簡捷的思路可以解決這一問題呢？事實上如果學生對彈簧振子熟悉，并能夠舉一反三，就可作如下類比：

在從A運動至B的全過程中，不管彈簧彈力怎樣變，f=μmg始終都未變化，這類似于豎直方向上的彈簧振子從最低點振動至最高點的半個周期，其中的f類比為振子的重力mg。而對于半個周期來說，位移、速度大小、加速度均是關于平衡位置上下對稱的，如圖6、圖7：

學過振動后，彈簧振子是很易理解和記憶的模型。這樣疑難點就迎刃而解了：平衡位置確實不在O點而是在AB的中點x0/2處。就可以很容易的找到正確答案AC了。

新題目、新模型都不怕，怕的就是我們在平時的教學中只對學生作知識的灌輸而不對學生因勢利導的進行各類思想方法的訓練、科學素養(yǎng)的培養(yǎng)。我們每一道物理習題的解題思路的產(chǎn)生，都有賴于教師在教學中將這種“授人以漁”的思想滲透到平時教學的點滴中。每一節(jié)新課的引導、每一道解題思想的啟發(fā)、甚至于每一次課后師生之間的教與學的交流談話。

3.總結

類比是重要的科學研究的思想方法，是合情推理的重要組成部分，在物理中可以幫助我們揭示物理規(guī)律之間的內(nèi)在聯(lián)系、啟發(fā)我們獨特的解題思路，只有平時上課及解題過程中引導學生真正經(jīng)歷閱讀、動手、思考、研討等過個過程，多嘗試領悟，才能對物理這一門學科學通學透。

當然，類比作為一種邏輯思維方法，既不同于歸納方法，也不同于推理方法;由類比法推出的假設并不一定是正確的，這些結論必須要經(jīng)過實驗證明才能進一步推廣。因此，要注意應用類比法教學的正確性和適當性，不能一概而論。

【參考文獻】

[1]王小蘭.巧用類比法實現(xiàn)物理課堂有效教學途徑探討. 《電子世界》.2013.5

[2]申建中.引力場與靜電場的類比.《數(shù)理化研究》.2008.3

（作者單位：陸慕高級中學）