物理教學中的類比方法研究

摘 要： 概念與規律的教學是物理教學的重點。不同的概念與規律具有不同的內涵和外延。類比是借助于事物間的相似性，通過比較將一種已掌握特殊個體的特征推移到另一個新的特殊個體中的研究方法。在中學物理教學中，類比教學則通過把學生熟悉的知識與陌生的知識相比較，為認識新事物提供線索和方向，以加強知識間的橫向聯系與溝通，從而達到舉一反三的目的。用類比的方法講解物理概念、規律，求解習題及進行復習，不僅易于教學，而且可拓寬學生的視野、提高分析的綜合遷移能力。因其遵循了學生的認知規律，故能夠有效提高教與學的效率。

關鍵詞： 類比方法 中學物理教學 概念與規律

一、天體運動與核式結構

衛星受萬有引力作用繞行星做圓周運動的情形與氫原子核外電子受庫侖力作用繞核做圓周運動的情形相似。在講授玻爾理論時，學生已建立了天體運動模型，知道了衛星的軌道半徑越大，加速度、速度和動能越小，周期和引力勢能越大，同一衛星的機械能也越大。這時則可將電子繞核運動的速率、加速度、周期和動能和衛星的類比，將電子的電勢能與重力勢能、氫原子的能級與行星衛星系統的機械能類比。通過微觀與宏觀的類比，學生便很容易理解并分析氫原子躍遷過程中電子動能、電勢能和能級的變化了。

例1：氫原子吸收某一頻率的光子后，以下說法正確的是（ ）

A.氫原子向較高能級躍遷；

B.核外電子的動能增大；

C.氫原子系統的電勢能增大；

D.躍遷過程電子動能的變化小于電勢能的變化。

解析：吸收光子后向高能級躍遷，r增大，F庫減小，a、v減小，T、E電增大，Ek減小。因為總能級增大，所以電勢能的增加量大于動能的減少量，選A、C、D。

二、簡諧運動與電磁振蕩

簡諧運動中振子的動能、勢能相互轉化并保持總能量守恒，在LC回路振蕩過程中，若不計LC中電磁輻射，則電感中電流所表征的磁場能（i、B、Φ、E）與電容中電量所表征的電場能（q、U、E、E）也進行相互轉化并保持總能量守恒。不同之處在于一個是力學量的振蕩，一個是電學量的振蕩。在電磁振蕩章節的教學中，將單擺擺球的動能類比LC回路中電流，將擺球重力勢能與LC回路中電容上的電量類比，并結合狀態圖分析，教學效果較好。

三、勢能的類比

只有在保守力（即該種力做功與路徑無關，只由始末位置決定）做功時，才可引入與其相對應的勢能。因重力、彈簧彈力、電場力、分子力均為保守力，做功都與路徑無關，只由始末狀態的相對位置（的高度差、電勢差等）決定。故重力勢能及彈性勢能、電勢能、分子勢能雖分屬機械能、電能、內能，但它們具有某些共性。與勢能相關的力做正功，則勢能減??；與勢能相關的力做負功，勢能則增加。在每學到一種勢能時，將其與前面的勢能建立聯系并類比，能夠幫助我們理解概念。如學到分子力做功與分子勢能變化關系時，用兩物塊彈簧系統與其對比，將平衡位置處與彈簧原長位置類比，就能較容易理解分子勢能隨分子間距的變化規律了。

四、場的類比

1.疊加場與重力場

輕桿與球、輕繩與球兩種模型在重力作用下在豎直平面內完整圓周運動的條件建立后，學生在學習到帶電小球在電場中特別是疊加場中的圓周運動問題時，往往不能透徹分析。此時，教師如能幫助學生通過等效重力場的角度去思考即將電場和重力場疊加后成為一合力的疊加場G’，學生的思維就不存在障礙了。

例2：如圖1所示，輕繩系一帶正電、重G的小球懸掛在豎直向上的勻強電場中，使小球以懸點O為圓心在豎直平面內作圓周運動，則：（ ）

A.小球可能做勻速圓周運動

B.小球只能做變速圓周運動

C.小球經最低點A時，繩子拉力可能最小

D.在小球經最高點B時，繩子拉力一定最小

解析：球受重力G’、向上的電場力F及繩的拉力T。將G’與F合成為一等效的重力場G’后，只需分析球在重力場G’中的運動就行了。G’可能有三種情況：

（1）F=G，G’=0，球受繩拉力T作用而在豎直平面內做勻速圓周運動，此時T=mv2/L不變。

（2）F

（3）F>G，G’向上（如圖3），轉換一下思維角度，球仍做變速圓周運動，在最高點B（G’中的“最低點”），速度最大，T最大；最低點A（G’中的“最高點”），速度最小，T也最小。

故選A、C。

例3：在豎直放置的光滑絕緣圓環中，套有一個帶電-q、質量為m的小環，整個裝置放在圖4所示的正交電磁場中，水平勻強電場場強E=mg/q。當小環從大環頂點無初速下滑后，在滑過下列弧度時，所受洛倫茲力最大的位置是（ ）

A.π/4B.π/2C.3π/4D.π

解析：將電場與重力場疊加后為一斜向左下方的等效重力場G’，其與豎直方向的夾角滿足tgθ=F/G，如圖5。圖5中A點為G’中“最低點”，速度最大，洛倫茲力最大。

故選：C。

2.電場與磁場

電場與磁場統稱電磁場，它們間存在著緊密的聯系，在一定的條件下可以相互轉化。在學習中若采用圖表類比，知識結構、研究方法與教材的理論構思就將一目了然。

電場性質的研究方法：

引入檢驗電荷受電場力 力的性質 定性與定量描述（電場線和場強）具有電勢能 能的性質定性與定量描述（等勢能和電勢）

典型問題：靜電平衡、帶電粒子在電場中的運動。

磁場性質的研究方法：

引入檢驗電流定性與定量描述（磁感線與磁感應強度）

電與磁聯系：麥克斯韋電磁場理論、法拉第電磁感應定律。

類比學習的素材是隨處可得的，其他如：電流與水流、電壓與落差、機械波與電磁波、光的波粒二象性、平拋運動與勻強電場中偏轉的研究方法等。運用類比，可鞏固已有知識并把研究對象條理化、系統化培養遷移的習慣；可對學科的結構及研究方法有一個全面、整體的把握，并能夠將不同的章節、不同的內容綜合理解、實現遷移，進而融會貫通。