學習物理要多多尋找大自然的“相似形”

馬菊

物理學是研究物質結構、物質相互作用和運動規律的自然科學，它的研究范圍小到微觀粒子，大到宏觀天體運動。物理作為自然科學的重要分支，不僅對物質文明的進步和人類對自然界認識的深化起了重要的推動作用，而且對人類的思維發展也產生了不可或缺的影響。從亞士里多德時代的自然哲學，到牛頓時代經典力學，直至現代物理中的相對論和量子力學，都是物理學家科學素質、科學精神以及科學思維的有形體現。

自然規律不是根據有限的事實歸納出來的，新知識的建立常常不在于實驗證據的多寡，而在于研究者的洞察力。日常生活與工作中，新認識、新見解是這樣，物理學更應該是這樣。分析物理學研究的前因后果，大自然的“相似形”正如顆顆小恒星鑲在宇宙各個閃光點上，引導人類去尋找歸納。如果將這些“相似形”，用空間曲線串起來，它就是我們學習物理、探究物理的大道之一。

初中義務教育階段的物理淺顯、通俗易懂，它對物理規律的陳述往往是建立在初中生已有思維方式和能夠接受的最簡單的概念和定義基礎上的。

一、“相似形”體現在基本概念上

義務教育課程標準實驗教科書物理中，（1）速度的定義是：物體在單位時間內通過的路程。公式v=s/t，s表示路程，t表示時間，v表示速度。（2）密度的定義：在物理學中，把某種物質單位體積的質量叫做這種物質的密度。公式：ρ=m/V，m表示質量，V表示體積，ρ表示密度。（3）在講述地球表面物體所受重力時講道：在同一地點物體受到的重力與它的質量的比是個定值：g=G/m=9.8牛/千克，G表示物體受到的重力，m表示物體質量，g表示這個定值，并解釋為質量為1kg的物體受到的重力為9.8N。（4）熱值的定義是：1kg某種燃料完全燃燒時化學能轉化為內能的量叫做這種燃料的熱值。公式： λ=Q/m ，Q表示熱量，m表示質量，λ表示熱值。（5）比熱容的定義是：單位質量的某種物質溫度升高（或降低）1度所吸收（或放出）的熱量，叫做這種物質的比熱容。公式c=Q/ （mΔt）， Q表示熱量，m表示質量，Δt表示溫度變化，c表示比熱容。

比較前四個，不難發現它們的“相似”之處，都定義為在某單位物理量的限度之內存在的另一個物理量。如果把它們四個用同一形式k來表示，某單位物理量用x表示，另一個物理量用y表示，它們的定義式就可統一寫為k=y/x，這不正是物理定義“相似”被同一數學形式表達式所表達了嗎？而第五個比熱容的定義可看作是：“k=y/x”的擴充，不妨寫為：k=y/（xz），即k定義為在兩個單位物理量的限度之內存在的另一個物理量。那么我們還能設想是否存在一個物理量，被定義在多個單位物理量的限度之內。這樣初中階段基本概念就很容易地被搞清楚了。

二、“相似形”體現在對物質性質的描述上

密度、比熱容、電阻，從不同角度對物質性質進行描述。對密度是這樣闡述的：同一種物質的質量與體積的比值是一個常數，它反映了物質固有的一種屬性，即ρ=m/V，也就是說，某種物質的性質之一密度與物質質量多少和體積無關，但可用質量與體積的比值來表達。同樣對比熱容的闡述是：不同種類的物質，在質量及溫度變化相同時，所吸入（或放出）熱量一般不同，即：c=Q/（mΔt），同樣某物質的比熱容與熱量多少、質量多少、溫度變化值無關，但可用它們的比值來表達。根據歐姆定律得，對某成品電阻器，其電阻值可表達為R=U/I，即當電阻器不更換，電阻兩端電壓與通過電阻的電流比值是一個定值，但可用它們的比值來表達。同理，對比熱容、電阻也可以有這樣的理解方式，這樣我們不是把對物質性質的理解框在一個模式了嗎？第一個性質理解清楚了，第二、第三個也就輕松接受了。

其實，物理學對大自然現象的描述中還有許多“相似形”，不妨再找一找。要想輕松學習物理，還要看看以往的前輩們是怎樣尋找大自然的“相似形”的。（1）按照麥克斯韋電磁理論，變化的電場和變化的磁場不斷地相互交替，由近及遠地傳播出去。變化的電磁場在空間以一定的速度傳播，就是電磁波。電磁波在本質上與機械波是不相同的。于是，描述電磁波就用與描述機械波相似的數學形式來表達，即用“相似形”的思維去考慮不同的波動。（2）1842年，奧地利物理學家克里斯蒂安一多普勒提出，當聲源在運動中時，聽者會感到單調有高低的變化。聲源接近時，聲波被“壓縮”，聽者感到音調變高;聲源遠離時，聲波被“拉伸”，音調變低。1868年，科學家哈根斯首次用反光鏡測得天狼星的譜線偏紅，且算出天狼星離開我們的視向速度是47km/s，量一量譜線就能確定恒星的運動速度，這一方法簡直太便捷了。這也是用“相似形”思維去分析不同的波動，達到了一般難以想到的結果。

讓我們在先輩們的精神的鼓舞下，繼續學習、探究物理規律，多多尋找大自然的“相似形”，使得物理學永遠向著最先進的方向發展。

編輯 謝尾合