類比思想在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用

◎ 李文友

高中《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出：物理教學(xué)中要讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義，嘗試運(yùn)用科學(xué)探究的方法研究物理問(wèn)題，驗(yàn)證物理規(guī)律。我們要在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有效的科學(xué)探究，就必須要有科學(xué)思維方法的指導(dǎo)。類比思想就是邏輯思維中重要的方法之一。

在物理教學(xué)中的類比法是指：通過(guò)聯(lián)想，把未知的物理問(wèn)題和熟悉的物理問(wèn)題做比較，尋找兩者在某些方面的共性，找出兩者共同遵循的規(guī)律，使學(xué)生可以通過(guò)原有的知識(shí)進(jìn)行遷移、應(yīng)用，從而達(dá)到促進(jìn)學(xué)生掌握新知識(shí)的效果。

一、類比法在物理學(xué)研究上的重要貢獻(xiàn)

物理學(xué)的發(fā)展告訴我們，很多關(guān)鍵時(shí)刻，科學(xué)家巧妙地運(yùn)用了類比推理，提出科學(xué)假說(shuō)，從而獲得巨大成功。

1924年，法國(guó)巴黎大學(xué)的德布羅意考慮到普朗克能量子和愛(ài)因斯坦光子理論的成功，在博士學(xué)論文中大膽地把光的波粒二象性推廣到實(shí)物粒子，如電子、質(zhì)子等。于是，他提出假設(shè)：實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性。德布羅意關(guān)于實(shí)物粒子具有波動(dòng)性的假說(shuō)，就像光具有粒子性一樣，從以往物理學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看是無(wú)法理解的。光的粒子性被光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)所證實(shí)，已經(jīng)無(wú)可懷疑了。可是，似乎純粹以類比方法提出的德布羅意波，實(shí)在超出了人們的想象力，以至于德布羅意本人也說(shuō)，他的這些想法，很可能被看做“沒(méi)有科學(xué)特征的狂想曲”。1927年戴維孫和G.P.湯姆孫分別利用晶體做了電子束的衍射實(shí)驗(yàn)，得到了衍射圖樣。除了電子以外，后來(lái)還陸續(xù)證實(shí)了質(zhì)子、中子以及原子、分子的波動(dòng)性。1929年，德布羅意獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，成為以學(xué)位論文獲此殊榮的人。

通過(guò)對(duì)物理課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生感受到類比法在物理學(xué)發(fā)展進(jìn)程中的重要作用，從而可以激發(fā)學(xué)生的求解與大膽探索的欲望。

二、運(yùn)用類比方法，培養(yǎng)學(xué)生思維的創(chuàng)造性

在學(xué)習(xí)一些十分抽象的看不見(jiàn)、摸不著的物理量時(shí)，由于不易理解，我們可以引導(dǎo)學(xué)生把能看見(jiàn)的且與之很相似的量進(jìn)行對(duì)照學(xué)習(xí)。這樣學(xué)生就可以把新、舊知識(shí)進(jìn)行類比理解，從而更好地掌握新概念。如此類比，相當(dāng)于在新、舊知識(shí)間或者與學(xué)生熟悉的生活經(jīng)驗(yàn)中架起了一座橋梁。

1.重力場(chǎng)與靜電場(chǎng)的類比

學(xué)習(xí)靜電場(chǎng)一節(jié)內(nèi)容中，“電場(chǎng)”概念的建立是極為重要的。但由于此概念比較抽象，學(xué)生往往難以理解。可以用力學(xué)中所學(xué)重力場(chǎng)與之類比：地球周圍存在著重力場(chǎng)，地球上所有物體都處于重力場(chǎng)中，都受到了地球的作用——重力。同樣，電荷的周圍存在著電場(chǎng)，電場(chǎng)對(duì)處于其中的電荷有電場(chǎng)力的作用。如此類比，讓學(xué)生能夠從已掌握的舊知識(shí)中順利地接受和理解新知識(shí)。

2.分子勢(shì)能與彈性勢(shì)能的類比

圖1

兩個(gè)分子之間的勢(shì)能隨距離變化情況比較復(fù)雜，我們把這種情況類比于一個(gè)彈簧連接著的兩個(gè)小球這一模型。

當(dāng)分子距離小于r0時(shí)，分子間的作用力表現(xiàn)為斥力，要減小分子間的距離必須克服斥力做功。因此，分子勢(shì)能隨分子間距離的減小而增大。這種情形與彈簧被壓縮時(shí)彈性勢(shì)能增大是相似的。如圖1中彈簧壓縮，彈性勢(shì)能Ep增大。

如果分子間距離大于r0時(shí)，分子間的相互作用表現(xiàn)為引力，要增大分子間的距離必須克服引力做功。因此，分子勢(shì)能隨分子間的距離增大而增大。這種情況與彈簧被拉伸時(shí)彈性勢(shì)能增大是相似的。如圖1中彈簧拉伸，Ep增大。

三、操作過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題

1.類比方法是一種重要的推理方法，是認(rèn)識(shí)新事物或有所新發(fā)現(xiàn)的重要思維方法，在物理教學(xué)中和解題中也起著重要作用。同時(shí)也應(yīng)該讓學(xué)生知道類比方法的局限性，因?yàn)轭惐炔皇且环N嚴(yán)密的推理方法，類比推理的結(jié)果是否正確，還需要經(jīng)過(guò)實(shí)踐的檢驗(yàn)。

2.被引用的另一對(duì)象應(yīng)為確有定論的、眾所周知的；被引用的另一對(duì)象和用以相比較的這一對(duì)象間，應(yīng)具有鮮明的、切實(shí)的可比性。

3.使用類比方法的基礎(chǔ)是兩類對(duì)象具有相同或相似處，但同時(shí)必須說(shuō)明它們的不同之處，以避免知識(shí)出現(xiàn)負(fù)遷移現(xiàn)象。

綜上所述，作為眾多教學(xué)方法之一的類比法，在高中物理教學(xué)中有廣泛的應(yīng)用。無(wú)論在教師的教學(xué)過(guò)程中，還是在學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程中，如能有意識(shí)地把類比法與其他有效的方法結(jié)合起來(lái)加以應(yīng)用，定會(huì)提高教與學(xué)的效率。