淺談類比在高中物理電場教學中的應用

鄢必生

【摘要】 物理學史上有一個著名的故事，愛因斯坦在做完關于相對論的演講之后，有人希望他用最簡單易懂的方式解釋一下相對論。愛因斯坦做了一個絕妙的類比，“如果和你愛的人在一起，過幾個小時就像過幾分鐘一樣；如果光屁股坐在火爐上，過幾分鐘就像過幾個小時一樣！”正是這個絕妙的類比，讓抽象、深奧的相對論走向全世界。

【關鍵詞】 高中物理 電場教學 類比

【中圖分類號】 G633.7 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 1992-7711（2015）12-050-010

類比在物理學發展史上的作用舉足輕重。盧瑟福用行星系統類比原子的核式結構模型，否定了湯姆生的“棗糕”模型；德布羅意用機械波的波動性類比提出了一切實物粒子都具有波動性；狄拉克根據對稱性，類比提出了“正電子”的假說。相關的例子不勝枚舉。

既然類比這么重要，究竟什么是類比呢？麥克斯韋對類比的理解比較深入，“所謂物理類比，我指的是一種科學定律與另一種科學定律之間的部分相似性。它使得這兩種科學可以相互說明。”在物理概念的形成，物理理論的構建，推理方法的應用以及規律的表現形式等諸多方面都體現了物理類比。在電場教學中，合理應用類比可以將抽象的理論生動化，能培養學生興趣，提高學習效率，下面和大家分享幾個教學實踐中的案例。

1.用降雨強度類比電場強度

電場強度的定義是E=F/q，很多學生由于數學思維的慣性，認為E與F成正比，與q成反比。無論老師如何強調E與F和q無關，有些同學還是難以接受。如果用降雨強度的概念類比，有些理解上的障礙可能會化解。

教室外面在下雨，學生和老師都想知道外面的雨下的到底有多大，于是一個共同的問題呈現出來，如何衡量降雨強度？有一種方案，讓一個同學去外面試試，看他淋濕程度來判斷降雨的強度。如果衣服濕透了說明雨下的大，衣服濕一層，說明雨下的小。這一點和電場強度的描述類似，如果不知道空間某處電場的強弱，于是放入一個試探電荷，看試探電荷的受力，如果受力大說明電場強度大，受力小，說明電場強度小。

細心的學生會提出異議，“不能單純的用學生衣服淋濕的程度說明降雨的強度，因為沒有考慮在雨中淋了多長時間。降雨量小，淋的時間長，衣服也能淋濕透了。”如何才能更準確的描述降雨的強弱呢？“單位面積，單位時間內降雨量的多少可以衡量降雨強度。”學生很容易達成共識。和電場強度的描述類似，不能用電荷受力的大小來描述電場的強弱，因為受力大也可能是電荷量大的緣故。如果用單位電荷的受力來衡量電場強度就比較科學，從而引入E=F/q來定義電場強度。

還可以類比的是，探測降雨強度，讓男生出去，還是讓女生出去都可以，但是老師一般會讓男生出去。在電場強度的探測中，要選擇試探電荷，用正電荷和負電荷都可以，一般選擇用正電荷。如果沒有同學出去探測降雨強度，外面的雨還會不會下？如果沒有用試探電荷探測電場強度，空間的電場還會不會存在？相信同學們能得出正確的答案。

2.用素描類比電場線

為了能形象生動的描述場強這個抽象的物理概念，引入了電場線，用電場線的疏密描述場強的大小，用箭頭描述場強的方向。電場線形象的描述電場的主要特征，但是電場線不存在。這又給學生帶來了理解上的難題。電場強度看不見，但是真實存在；電場線看得見，但是又不存在。用學生的話說“電場，你到底還要不要人活了”？

用素描類比電場線，可以為學生的理解搭建一個平臺。會場上，如果我們想介紹一位不在現場的朋友的外貌特征，我們可以用文字描述：長頭發、大眼睛、瓜子臉、柳葉眉、高鼻梁。聽完之后，可能還會有人想象不清楚到底是什么樣。如果我們將這位朋友的素描拿給大家看，相信所有人在第一時間就能清晰的呈現他的樣子。盡管素描不是人本身，但是，素描形象的反映了人的特征。同理，盡管電場線是假想的，是不存在的，但是用電場線也可以形象的描述電場的特征。

3.用水容器類比電容器

電容器是靜電場教學中的難點，而它又是我們日常生活中最常見的電子元件之一，冰箱、彩電、洗衣機中都有，每個人手機里的電池就是一個電容器。因此，電容器的教學既難又重要！學生對電容器的電容C=Q/U的理解經常出現偏差，學生會習慣性的認為C與Q成正比，與U成反比，在教學中我們常常苦惱，而又沒有可行的辦法。

用幾個不同材質和形狀的杯子放在一起，很容易發現它們有一個共同的功能——盛水，因此，它們可以按照功能命名——水容器。用水容器的容積類比電容器的電容。水容器的容積只是說明它盛水的能力，不能說明現在水容器中有多少水；相類似，電容是說明電容器盛電的能力，也不能說明現在電容器中有多少電。水容器的容積是由容器本身的構造決定的，比如，方形杯子的容積是由長、寬、高決定。相類似，電容器的電容也是由電容器本身的構造決定，比如，平行板電容器的電容是由極板正對面積，極板間距，電解質的介電常數決定。水容器可以有塑料的，金屬的，陶瓷的；類似，電容器也可以有不同材質和形狀。

4.用肉夾饃類比電解質電容器

肉夾饃，其實是饃夾肉，它是中國的一道傳統美食，學生在日常生活中都嘗試過或見過。肉夾饃沒有具體的標準，要求在饃中間夾肉，但是沒有要求夾什么肉，夾豬肉是傳統的肉夾饃，夾驢肉就成了驢肉火燒，夾火腿和奶油就成了三明治。也可以根據不同要求加入不同種類的肉，開發出不同的美食。

5.類比的局限性

類比在某種程度上能幫助學生理解抽象、深奧的物理知識、概念、規律，但它不是問題本身，也不可能解決所有問題，甚至還會出現偏差。有時，兩個物體之間不一定存在必然聯系，或從某一個方面的相似性推廣到另一個方面時不一定成立。在物理學史上，由類比得到的錯誤結論也一度將物理引入迷途。