類比法在大學(xué)物理中的應(yīng)用

高 祿 趙長(zhǎng)春 吳秀文

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）數(shù)理學(xué)院，北京，100083

類比法在大學(xué)物理中的應(yīng)用

高 祿 趙長(zhǎng)春 吳秀文

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）數(shù)理學(xué)院，北京，100083

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

類比法；大學(xué)物理；教學(xué)

引言

類比法是根據(jù)兩類對(duì)象之間在某些方面的類似或相同， 從而推斷它們?cè)谄渌矫嬉部赡茴愃苹蛳嗤倪壿嬎季S方法[1]。類比法是科學(xué)發(fā)展中非常重要的一種研究方法，也是探索新知和改進(jìn)創(chuàng)新的重要途徑之一[2]。尤其在物理學(xué)的發(fā)展中，類比法發(fā)揮了不可忽視的作用。物理學(xué)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(xué)物理教學(xué)中適當(dāng)?shù)貞?yīng)用類比法，可以讓學(xué)生更好地理解相關(guān)的理論知識(shí)，并提高他們的創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)。因此，教學(xué)中適時(shí)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(xué)物理教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)類比法在教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 類比法在力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

在大學(xué)物理教學(xué)中，力學(xué)部分是最基礎(chǔ)、最重要的內(nèi)容，學(xué)生也是在學(xué)習(xí)大學(xué)物理之初最先接觸力學(xué)。因此，掌握力學(xué)中的基本概念對(duì)于學(xué)生學(xué)好大學(xué)物理顯得尤為重要。力學(xué)部分的前四章[1]包括質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)、牛頓三定律、功和能以及動(dòng)量與角動(dòng)量，在這四章內(nèi)容中，除角動(dòng)量外其余內(nèi)容都是高中物理中的教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)困難并不大。然而在學(xué)習(xí)第五章剛體部分時(shí)，教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍反應(yīng)學(xué)習(xí)起來(lái)較為吃力。這是因?yàn)閯傮w是一個(gè)全新的物理模型，同時(shí)解決剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題還要涉及到角動(dòng)量和外力矩的矢量運(yùn)算，這對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)既是重點(diǎn)又是難點(diǎn)。如何將這部分學(xué)習(xí)內(nèi)容深入淺出地進(jìn)行教學(xué)，是一個(gè)值得探索的教學(xué)法問(wèn)題！

表1 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律類比

通過(guò)表1所列舉的類比規(guī)律可見，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律具有較強(qiáng)的類比性。在力學(xué)部分的教學(xué)中采用類比法，有助于學(xué)生從整體上系統(tǒng)地理解力學(xué)定律。

2 類比法在電磁學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

愛因斯坦相對(duì)論的建立，使人們認(rèn)識(shí)到電場(chǎng)和磁場(chǎng)具有相對(duì)論性的統(tǒng)一，電磁場(chǎng)是一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)體。大學(xué)物理中的電磁學(xué)介紹的是宏觀電磁場(chǎng)的基本規(guī)律，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的描述和規(guī)律是分別講授的[3]。在電磁學(xué)的教學(xué)內(nèi)容中，靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒磁場(chǎng)是兩部分重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，具有較強(qiáng)的可類比性。例如描述抽象場(chǎng)的電場(chǎng)線和磁場(chǎng)線的類比；描述場(chǎng)強(qiáng)弱的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的類比；電磁場(chǎng)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(xué)實(shí)踐中，對(duì)電磁學(xué)采用類比法教學(xué)，可以讓學(xué)生加深對(duì)物理規(guī)律的理解，建立完整統(tǒng)一的知識(shí)體系，同時(shí)提高學(xué)習(xí)效率。

3 習(xí)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(xí)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(gè)例題，以說(shuō)明類比法在解決物理習(xí)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(qiáng)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(wú)傳導(dǎo)電流處，必?zé)o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(duì)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(wú)限縮小，故I0=0處，I'=0。

跟例1的解題過(guò)程具有類比性，例2中通過(guò)推導(dǎo)得到各向同性磁介質(zhì)用磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比關(guān)系，進(jìn)而由磁場(chǎng)強(qiáng)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(wú)傳導(dǎo)電流處，必?zé)o束縛電流。

上述兩個(gè)例題解題思路基本相同，運(yùn)用的物理規(guī)律是表2中所列舉的類比規(guī)律。運(yùn)用類比法解題，可以達(dá)到舉一反三的效果。在教學(xué)過(guò)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(wèn)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(cuò)誤的，類比法的推論必須要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明才能進(jìn)一步推廣[4]。因此，在大學(xué)物理教學(xué)中，要注意應(yīng)用類比法教學(xué)的正確性和適當(dāng)性，不能一概而論。

5 結(jié)語(yǔ)

物理規(guī)律具有類比性是物理知識(shí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性的體現(xiàn)。在大學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中，適時(shí)采用類比法進(jìn)行教學(xué)可以將零散的知識(shí)點(diǎn)通過(guò)類比聯(lián)系起來(lái)，幫助學(xué)生建立完整的知識(shí)框架，提高大學(xué)物理課程的教學(xué)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(guó)西部科技,2006年第17期,P86；

[3]張三慧.大學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)[M].北京:清華大學(xué)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(yáng)人.講師.長(zhǎng)期從事工科大學(xué)物理教學(xué)工作。