淺談高中物理教學中如何運用類比教學法

（四川省達縣石橋中學 四川 達縣635000）

由于物理學的特點，所以研究物理學的方法也就豐富多彩，除了觀察和實驗外，還會涉及到科學的抽象、理想實驗的方法、基本的一些邏輯方法、類比法、假說和模型方法、數(shù)學方法，當然少不了理論思維的方法。而其中的類比法正象康德所說：“每當理智缺乏可靠論證的思路時，類比這個方法往往能指引我們前進。”

1、類比法

大家都知道，類比法是古今中外的物理學家最常用的一種思維方法，由這種方法所得出的結(jié)論，雖然不一定很可靠，但在邏輯思維中卻很富有創(chuàng)造性。例如，熱質(zhì)說把熱和流體類比；庫侖定律把靜電相互作用與萬有引力類比；磁又與電類比等等。在物理學史上對電磁學作出重大貢獻的首推法拉第與麥克斯韋，前者擅長實驗，后者擅長理論，兩者相輔相成，相得益彰。法拉第雖然有高超的實驗技巧和想象力，并提出了“力線”和“場”這些非常深刻的物理思想，但由于數(shù)學水平不高，所以無法把他的定性的見解提高到精確的定量的理論，而這個任務(wù)就由麥克斯韋承擔起來，通過麥克斯韋的不懈努力，把法拉第的直觀物理學表述提高到理論高度，使之具有深刻性和普遍性。為了對法拉第的力線概念作出精密的數(shù)學描述，麥克斯韋把這一物理學圖象表示為清晰的幾何現(xiàn)象，采用了物理類比的思考方法。在麥克斯韋之前，對法拉第思想十分贊賞的W#8226;湯姆遜已經(jīng)確立了靜電方程與熱流方程上的類似，W#8226;湯姆遜的研究工作，特別是他卓有成效的運用類比方法，給麥克斯韋很大啟發(fā)。為了把法拉第的物理圖象表示為清晰的幾何圖案，麥克斯韋把不可壓縮流體穩(wěn)定流動中的渦流線與電場和磁場中的力線進行類比，以將研究渦流線的某些數(shù)學結(jié)果應(yīng)用到對力線的研究。麥克斯韋認為，在電學中電荷總是從電勢高的地方向電勢低的地方，在流體場種流體總是從壓力高的地方流向壓力低的地方，在熱力學中熱總是從溫度高的地方流向溫度低的地方。所以，電學中的勢V(r)、流體力學中的壓力p (r)和熱力學中的溫度T(r)具有某種相似性。麥克斯韋將電場中的力(電場強度E)和通量D通過系數(shù)k聯(lián)系起來了。他認為不僅電場有這種性質(zhì)，磁場和恒穩(wěn)電流場也有這種性質(zhì)。麥克斯韋總結(jié)出矢量場的一個共同規(guī)律：同一場中的“力”可以用它的“通量”的現(xiàn)行關(guān)系表示出來。在這里麥克斯韋將物理類比作了淋漓盡致的發(fā)揮用他的話來表達:“為了不通過一種物理理論而獲得物理思想，我們就應(yīng)當熟悉現(xiàn)存的物理相似性。所謂物理相似性，我認為是在一種科學定律和一些能夠相互闡明的定律之間存在著的局部相似。這樣，所有的數(shù)學的科學就建立在物理定律和數(shù)的定律的關(guān)系基礎(chǔ)上，以致精密科學的目的就是要把自然問題化為通過數(shù)運算的量的決定。”

2、類比法與新理論的誕生

1923年，法國一位年輕的物理學家德布羅意提出了物質(zhì)為微粒有波動性的思想，認為不僅是光子，其它物質(zhì)粒子也具有波粒二象性。德布羅意的這一思想為以后波動力學的建立奠定了基礎(chǔ)，標志著量子論進入了量子力學時代。愛因斯坦曾經(jīng)熱情的贊揚德布羅意：“揭開了巨人帷幕的一角。”德布羅意抓住數(shù)學形式把光子同物質(zhì)粒子進行類比，提出了物質(zhì)微粒具有波動性質(zhì)的預(yù)言。數(shù)學形式的類比對物理學的發(fā)展起了重要的作用，它能使我們揭示出研究對象在感性直觀很難認識到的特性和規(guī)律，為了規(guī)律一般都可以用數(shù)學形式定量地概括抽象出來，數(shù)學形式相同的物理現(xiàn)象可能會遵循一種更深刻、更本質(zhì)的規(guī)律。

3、類比法和數(shù)學法的結(jié)合

德布羅意以物質(zhì)具有波動性質(zhì)描述了微觀粒子，但還不曾建立一個以波動來表示微觀粒子運動的動力學方程，薛定諤試圖以波函數(shù)建立這樣的方程，并使玻爾理論中的量子化條件變成這個方程解出的自然結(jié)果。縱觀薛定諤創(chuàng)立波動力學的過程，我們看到，他從德布羅意和愛因斯坦那里吸取了關(guān)于電子波動和物質(zhì)具有波動性質(zhì)的思想；從哈密頓的分析力學中悟出經(jīng)典力學與幾何光學類似的思想；又從坡爾理論里得到了能量是分立的，正確的力學理論必須給出分立的能量譜值的思想，把這幾個思想有機的綜合起來，產(chǎn)生了新的更深刻的物理內(nèi)容，波動力學的產(chǎn)生是類比、數(shù)學、綜合等多種方法結(jié)合在一起運用的結(jié)果。值得注意的是，薛定諤不是簡單的照搬前人的思想，而是力求突破前人觀念上的局限性，如他拋開了德布羅意關(guān)于電子軌道的概念，直接引入了代表狀態(tài)的波函數(shù)，這反映了他具有革命性的一面：他的綜合并不是湊巧，而是在洞悉前人思想實質(zhì)的基礎(chǔ)之上，從整體上對它們加以總結(jié)和概括，以達到全面的、深刻的反映微觀客體的本質(zhì)及其運動規(guī)律。

4、類比法的成功和不足

惠更斯正是應(yīng)用具有創(chuàng)造性的思維方法—類比法，才確信光也“像聲音一樣”，是以“波的形式來傳播的”。光的波動說一經(jīng)提出，立即顯示了它的生命力，促進對光的本性的研究。但需要注意，類比法是一種有特殊到特殊的邏輯思維方法，所以由類比法推出的結(jié)論往往帶有一定的局限性，這是因為進行類比的兩個對象除了有相似的一面以外，還有差異的一面，正是這種差異，限制了類比法的利用。如果不注意這種差異，由類比法得出的這種結(jié)論就會減低或完全失去價值。惠更斯的光波動學說之所以沒有戰(zhàn)勝牛頓的微粒說，除了有許多其它方面的原因，其中一個重要原因就是他在應(yīng)用類比法時沒有充分注意到光與聲的不同點，他在類比時走的太遠了，以至于使他自己陷入困境。