中学物理中的类比方法及其在教学中的应用海南省洋浦中学王满兰.doc

中学物理中的类比方法及其在教学中的应用海南省洋浦中学王满兰摘要： 本文首先通过一些实例，简要论述了在中学物理教学中常用的几种类比方法，接着结合物理教学实际，通过论述类比方法在物理概念教学、物理规律应用及知识复习中的应用，说明类比方法可以使抽象的知识形象化、复杂的问题简单化、散乱的知识条理化，本文同时指出使用类比方法应注意其局限性，并防止出现知识的负迁移现象。关键词： 类比方法 物理教学类比方法是人类认识自然的重要方法，它是利用已有的知识，去学习新知识的一种方法，无论是概念的建立、规律的形成，还是运用物理知识解决具体问题中都经常使用。 类比方法也叫类比推理，是根据两个（或两类）对象在某些方面的相似或相同，从而推出它们在其它方面也可能相似或相同的一种逻辑推理方法。它是一种从特殊到特殊或从一般到一般的推理，极具启发性、创造性和灵活性。一、中学物理中的类比方法类比方法能帮助学生有效地掌握物理知识、发展智力、培养能力，是物理教学中不可缺少的一种重要方法。中学物理中常用的类比方法有：1简单共存类比简单共存关系是指对象各个属性之间可能是并列的或孤立的或其它关系，但它们都同是对象的属性。简单共存类比是以简单共存关系为推理中介的类比推理。例在高中物理中引入磁场概念时便运用了简单共存类比。首先把电场与磁场有关的相似属性列出：如电荷之间有相互作用力，磁极之间也有相互作用力；电荷之间是同号相斥，异号相吸，磁极之间也是同名相斥，异名相吸；这样就由电荷周围存在电场，可以类比推出磁极周围也应存在磁场；由电荷间的作用力是通过电场传递的，可以类比推出磁极间的相互作用力也是通过磁场传递的。2因果类比 因果类比是根据相类比的两个对象各自属性之间可能具有相同的因果关系而进行的类比。例如借助重力场中的因果关系，可以类比推出静电场的一些性质。重力做功与路径无关，所以在重力场中可以引入重力势能概念；重力做正功，物体的重力势能减小，重力做负功，物体的重力势能增大；静电场力做功也与路径无关，所以在静电场中可以引入电势能概念，电场力做正功，电荷的电势能减小，电场力做负功，电荷的电势能增大。3对称类比客观世界中存在着的许多对称性关系是进行对称类比的基础。对称类比是从两个对象属性之间的对称关系进行的类比。例如电与磁存在着对称关系，且已为实验所证实。在奥斯特发现电流的磁效应后，法拉第依据电与磁的对称关系立即提出磁能转化为电的设想，并历经十年的不懈努力，终于发现电磁感应现象和电磁感应定律，开辟了电气化时代，为人类的进步做出了不朽的贡献。4协变类比协变类比也称数学相似类比，是根据两个对象可能具有属性之间的某种协变关系（定量的函数关系）进行的类比推理。协变类比的一种形式是根据两对象的各个属性相同或相似，推出它们应具有相同或相似的数学形式；另一种形式是根据两对象的数学形式相似，推出它们的属性也可能相似。ABCD图1例：如图1所示，在河边A处的人要尽力抢救一个在B处的溺水者，时间对被救者来说就是生命！那么沿什么路线从A到B所用时间最少呢？ 解本题可采用光的折射作类比。光在不同介质中传播速度不同，在两种介质的界面上会发生折射，而光子是最出色的运动员，它总是选择最省时的路径行进的。由此可以推知，沿直线经C到B并不是好办法。人在岸上跑得比在水里游得快，所以人从A点到B点若要最省时，应当选择一条折线路径行进，折点在界面上的D点，角和应满足“折射定律”： （其中v1、v2分别为人在岸上和在水里的速度） 又如木夯打桩，若阻力与木桩进入的深度成正比，即F=kx ，欲求木桩进入深度d的过程中，克服阻力所做的功。因为阻力表达式与弹簧弹力公式F=kx 相同，故可利用弹力功的表达式，而直接写出答案： 二、类比方法在物理教学中的应用类比方法在物理研究史上取得过较大的推动作用，科学史上很多重大发现、发明，往往发端于类比，类比被誉为科学活动中的“伟大的引路人”，在很多关键时刻，科学家巧妙地运用了类比推理，提出科学假说，从而获得巨大成功。康德曾说过：“每当理智缺乏可靠论证的思路时，类比这个方法往往指引我们前进。”在物理教学中，类比方法同样显示出其不同于其他教法的优势。当对某一问题按常规归纳和演绎推理无法解决时，或者对某些概念、规律，学生难以理解时，借助类比，可简化推理论证，启发学生积极思考，提高学生分析问题和解决问题的辩证思维能力，加强对概念及规律的理解。1物理概念教学中的类比物理学中的许多物理现象不能直接观察到、有不少物概念比较抽象、物理规律难以理解，给学生学习带来一定的困难。类比方法可以帮助学生把较复杂或深难的或抽象的物理知识同已有的较简单的或具体的知识表象联系起来，给这些抽象的事物赋予间接的直观形象，把研究对象具体化，把已知对象的明确性和可理解性转移到研究对象上去，使学生比较顺利地认识物理现象、形成物理概念和掌握物理规律。LKAB水泵水轮机阀门图2例如在初中学习电源的作用、建立电压概念时，就可用下列两图进行类比： 水流电流，水路电路，阀门电键，水泵电源，水轮机电灯，水位差（水压）电压，水流做功使水轮机转动电流做功使电灯发光，学生就可很形象地理解电源所起的作用就是使电路两端产生电压，电压的作用就是使自由电荷发生定向移动形成电流。再比如，电容器的电容是一个较抽象的概念，学生常会由其定义式理解为C与Q成正比，与U成反比。若根据电容的物理意义，即电容是表示电容器容纳电荷本领的物理量，与水桶的容积进行类比：水桶可类比为电容器，水桶的容积可类比为电容，由于水桶装不装水，水桶的容积都是一定的，它不会随桶装了多少水的变化而变化；电容也不会因电容器有没有“装”电荷、“装”了多少电荷的变化而变化。经这样类比后，把抽象的物理概念形象化，学生很容易就可形成电容这一概念，而且不容易出错。2物理规律应用中的类比物理教学中有很多规律性的知识，对这些知识，如果学生不能很好地加以区分、理解，应用起来就会磕磕绊绊。例如动量守恒定律是高中物理中的一条重要的规律，应用动量守恒定律求解问题是高中物理教学的一个难点。但是如果能够恰当运用类比方法，就能够化简分析过程，突破这一难点。图3vmmh例：质量为m的小车，装有光滑圆弧形轨道，放在光滑水平面上，有一质量也为m，速度为v的铁球沿轨道水平部分射入，并沿弧形轨道上升h，然后下降离开小车，求小球离开小车时速度多大？（如图3） 由于轨道、水平面均光滑，故可知系统机械能没有损失，系统在水平方向的动量守恒，跟水平面上的两个弹性小球作弹性碰撞很相似。小球开始沿光滑的弧面上升是碰撞的开始，小球上升到最大高度h后又沿弧面滑回底端的过程，可以类比为碰撞中的形变和恢复过程，小球离开小车的瞬间意味着碰撞的结束。因为小球与小车的质量相等，则在碰撞结束后，实现了速度交换，故小球离开小车时的速度为零，而小车速度为v。可见，解答物理习题时，善于类比和联想，能很快获取解题的思路和方法，化繁为简，化难为易，变死为活，节省解题时间，提高解题能力，且能通过突破一个问题，解决一类问题。3物理知识复习中的类比“课能听懂，但不会做题”，是学生中存在的普遍现象。究其原因，是因为学生缺乏知识的系统化，所学的知识是零散的，没有融会贯通，所以学习效果并不好。如果能够在物理知识的复习中适时地运用类比方法，促使学生把前后知识联系起来，形成知识体系，学生的学习就会事半功倍。比如各种图像中面积的类比：vt图象的面积为位移、Ft图象的面积为冲量、PV图象的面积为气体做功、 UI图象的面积为电流做功的功率；机械波电磁波光波-物质波的类比；将电场与磁场列表进行比较等等，有利于将相类似的知识纳入同一知识体系中，丰富原有的认知结构。这样使新旧知识取得联系，将新知识建立在旧知识的基础上，一方面可以使学习和保持新知识最为有效，另一方面又可以增强原有的起固定作用的旧知识的稳定性和清晰性。同时，习得的知识以一定的结构贮存，在应用时也更利于提取。三、使用类比方法应注意的问题1类比方法虽然在物理教学中起着重要作用，但同时也应该让学生知道类比方法的局限性。类比推理是一种或然性的推理，推得的结论不一定是可靠的。例如在物理学史上，1859年法国天文学家勒维烈发现水星近日点绕日进动速度与牛顿力学的理论计算每百年相差40弧秒。于是他根据从天王星轨道摄动而发现海王星的成功经验，便将水星轨道进动现象同天王星轨道摄动现象进行类比，认为这可能又是一未知行星摄动力作用的结果。但在耗费了天文学家几十年心血的搜索后仍一无所获。直到爱因斯坦的广义相对论建立之后，人们才发现原来水星轨道近日点进动速度的差值的产生是一种广义相对论效应，并非存在一颗未知的行星。2使用类比方法的基础是两类对象具有相同或相似处，但同时必须说明它们的不同之处，以避免知识出现负迁移现象。例如用水压、水流与电压、电流类比之后，要防止学生错误地认为电流也象水流一样，是电子从电源的正极流出来，在电路中流动，经过用电器，又流回到负极的错误思想。所以类比只能起解释、启发、模拟作用，而不能替代。要防止类比的负迁移现象，就要在用类比方法得出结论后，再将新旧知识进行对比，把它们的区别讲清楚，强调两者之间的差别，以理解新知识，巩固旧知识。比如，在用重力场类比电场时，物体的重力势能随高度的增加而增大，而电荷的电势能却不一定随电势的增加而增大；其原因是物体的质量是没有正负之分的，而电荷却有正负之分，由于物体的质量和电荷的电性之间存在着差异，以至它们的结果是不一样的。又如，高中教材在介绍磁单极子的内容时，采用了类比的方法：带电体周围有电场，磁体周围有磁场；同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引，同种磁极互相排斥，异种磁极互相吸引；这是它们的相似之处。但它们又不完全相似，在电现象里有电荷，正负电荷可以单独存在，在磁现象里有没有磁荷？磁单极子是否存在？科学研究的新课题就是这样通过类比提出来的，提出来后其结果是否正确，却还需要通过实验来验证。总之，类比方法是一种重要的物理思维方法，它可以使知识条理化，把抽象的知识形象化，把复杂的问题简单化；它能帮助学生融会贯通所学的知