類比法在大學物理中的應(yīng)用

高 祿 趙長春 吳秀文

中國地質(zhì)大學（北京）數(shù)理學院，北京，100083

類比法在大學物理中的應(yīng)用

高 祿 趙長春 吳秀文

中國地質(zhì)大學（北京）數(shù)理學院，北京，100083

類比法是物理學中非常重要的一種思維方法，教學中應(yīng)用這種方法有助于學生更好地理解和掌握物理知識，同時培養(yǎng)他們的創(chuàng)新探索科學素養(yǎng)。本文以工科大學物理教學實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，對類比法在教學中的應(yīng)用進行了論述。

類比法；大學物理；教學

引言

類比法是根據(jù)兩類對象之間在某些方面的類似或相同， 從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[1]。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[2]。尤其在物理學的發(fā)展中，類比法發(fā)揮了不可忽視的作用。物理學中很多重大的研究成果都是在類比法思維模式的啟發(fā)下取得的。在大學物理教學中適當?shù)貞?yīng)用類比法，可以讓學生更好地理解相關(guān)的理論知識，并提高他們的創(chuàng)新能力和科學素養(yǎng)。因此，教學中適時地向?qū)W生滲透類比法的思維模式是至關(guān)重要的。本文以工科大學物理教學實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，對類比法在教學中的應(yīng)用進行探討。

1 類比法在力學教學中的應(yīng)用

在大學物理教學中，力學部分是最基礎(chǔ)、最重要的內(nèi)容，學生也是在學習大學物理之初最先接觸力學。因此，掌握力學中的基本概念對于學生學好大學物理顯得尤為重要。力學部分的前四章[1]包括質(zhì)點運動學、牛頓三定律、功和能以及動量與角動量，在這四章內(nèi)容中，除角動量外其余內(nèi)容都是高中物理中的教學內(nèi)容，學生學習起來困難并不大。然而在學習第五章剛體部分時，教學中發(fā)現(xiàn)學生普遍反應(yīng)學習起來較為吃力。這是因為剛體是一個全新的物理模型，同時解決剛體定軸轉(zhuǎn)動問題還要涉及到角動量和外力矩的矢量運算，這對于學生來說既是重點又是難點。如何將這部分學習內(nèi)容深入淺出地進行教學，是一個值得探索的教學法問題！

表1 質(zhì)點運動和剛體定軸轉(zhuǎn)動規(guī)律類比

通過表1所列舉的類比規(guī)律可見，質(zhì)點運動和剛體定軸轉(zhuǎn)動規(guī)律具有較強的類比性。在力學部分的教學中采用類比法，有助于學生從整體上系統(tǒng)地理解力學定律。

2 類比法在電磁學教學中的應(yīng)用

愛因斯坦相對論的建立，使人們認識到電場和磁場具有相對論性的統(tǒng)一，電磁場是一個統(tǒng)一的實體。大學物理中的電磁學介紹的是宏觀電磁場的基本規(guī)律，電場和磁場的描述和規(guī)律是分別講授的[3]。在電磁學的教學內(nèi)容中，靜電場和穩(wěn)恒磁場是兩部分重點教學內(nèi)容，具有較強的可類比性。例如描述抽象場的電場線和磁場線的類比；描述場強弱的電場強度和磁感應(yīng)強度的類比；電磁場高斯定理和環(huán)路定理的類比等。具體類比詳見表2。在教學實踐中，對電磁學采用類比法教學，可以讓學生加深對物理規(guī)律的理解，建立完整統(tǒng)一的知識體系，同時提高學習效率。

3 習題中類比法的應(yīng)用

由于物理規(guī)律具有類比性，因此在一些物理習題中的解題思路和方法也相應(yīng)地具有類比性。下面列舉兩個例題，以說明類比法在解決物理習題中的應(yīng)用。

表2

證明：在電介質(zhì)內(nèi)任意取一閉合曲面S，如圖1所示。

圖1 各向同性均勻電介質(zhì)

閉合曲面S內(nèi)的極化電荷為：

各向同性介質(zhì)的極化強度為：

將（2）式代入（1）式中，并利用電位移的高斯定理，可得：

又由電荷密度的定義式，可得

例2：證明各向同性均勻磁介質(zhì)內(nèi)無傳導(dǎo)電流處，必無磁化電流。

證明：在磁介質(zhì)中任取一閉合回路，如圖2所示。

圖2 各向同性均勻磁介質(zhì)

對于各向同性均勻磁介質(zhì)，

閉合回路所包圍的束縛電流為：

由于回路L可任取，且可無限縮小，故I0=0處，I'=0。

跟例1的解題過程具有類比性，例2中通過推導(dǎo)得到各向同性磁介質(zhì)用磁化強度與磁場強度成正比關(guān)系，進而由磁場強度的環(huán)路定理得到閉合回路內(nèi)束縛電流與傳導(dǎo)電流成正比關(guān)系，因此可以證明無傳導(dǎo)電流處，必無束縛電流。

上述兩個例題解題思路基本相同，運用的物理規(guī)律是表2中所列舉的類比規(guī)律。運用類比法解題，可以達到舉一反三的效果。在教學過程中，向?qū)W生滲透類比法的解題思維模式，可以提高解決物理問題的能力。

4 類比法的局限性

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(shè)并不一定是正確的，甚至有可能是錯誤的，類比法的推論必須要經(jīng)過實驗證明才能進一步推廣[4]。因此，在大學物理教學中，要注意應(yīng)用類比法教學的正確性和適當性，不能一概而論。

5 結(jié)語

物理規(guī)律具有類比性是物理知識結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性的體現(xiàn)。在大學物理教學過程中，適時采用類比法進行教學可以將零散的知識點通過類比聯(lián)系起來，幫助學生建立完整的知識框架，提高大學物理課程的教學效果。

[1]徐杏華,高等建筑教育,2004年6月,第13卷,第2期;

[2]邱清劇,中國西部科技,2006年第17期,P86；

[3]張三慧.大學基礎(chǔ)物理學[M].北京:清華大學出版社,2003: 321；

[4]陳修芳,科技信息，2010年，21期，P25。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.22.134

高祿.1982年出生.遼寧沈陽人.講師.長期從事工科大學物理教學工作。