类比法在物理教学中的应用

安康中学     韩荣芳

学生的学习热情往往是从兴趣开始的，初中物理依托生产生活实践中的感受和经验，利用形象、直观、感性的知识进行教学，学生感觉易懂有趣，学习积极性高，效果明显。高中物理较之初中物理，无论从知识内容的广度深度，还是思想方法上均上升了一个较高的台阶，升入高中的同学普遍感到物理难，理解上存在一定障碍，影响学习兴趣和学习效果。

在高中物理教学中如能适当应用类比、引用、比喻等方法，将抽象难懂的概念、复杂易错的规律转化为学生喜闻乐见、直观可感的生动形象，既有助于学生深刻理解和掌握知识，又能提高其学习兴趣。物理中有很多地方可以利用类比这种方法来教学。笔者仅仅对高中物理选修3-1课本中所涉及的内容举例说明，不合理之处望同行批评指正。

物理是一门严谨的科学，逻辑性很强，各个物理概念和物理理论之间必然存在大量的因果关系。例如，每一种力做功总会引起相应的一种能量的变化。物体所受的合外力做功将引起物体动能的变化，重力做功将引起物体重力势能的变化，除重力和或弹力以外的力做功将引起物体机械能的变化。那么，在电学中，电场力做功也将引起相对应的一种能量的变化，这种能量是什么呢？原来是电势能。我们还用到了重力做功来类比电场力做功。重力做功、电场力做功都只与始末位置有关，与经过的路径无关。沿着重力方向运动，重力做正功，重力势能减小；逆着重力方向运动，重力做负功，重力势能增加。沿着电场力方向运动，电场力做正功，电势能减小；逆着电场力方向运动，电场力做负功，电势能增大。

如在讲到孤立点电荷的电场线分布时，用到“光芒四射”和“万箭穿心”类比正负孤立点电荷的电场线分布情况。

在讲到怎样描述电场时，需要用到点电荷。物理学上把不考虑其尺寸、形状和电荷分布情况的带电体叫做点电荷。点电荷可以认为是没有大小的带电体，是实际带电体的一种理想模型。实际的带电体(包括电子、质子等)都有一定大小，都不是点电荷。如果在研究的问题当中，电荷间距离大到可认为电荷大小、形状不起什么作用并且可以忽略电荷分布时，才可把电荷看成点电荷。一个实际的带电体能否看作点电荷，不仅和带电体本身有关，还取决于问题的性质和精度的要求。与质点概念一样，质点是有质量但不存在体积与形状的点。在物体的大小和形状不起作用，或者所起的作用并不显著而可以忽略不计时，我们近似地把该物体看作是一个具有质量大小和形状可以忽略不计的理想物体。点电荷是实际带电体的抽象和近似，它是建立具有普遍意义的基本规律的不可或缺的理想模型，又是把复杂多样的实际问题转化或分解为基本问题时必不可少的分析手段。在库仑定律、洛伦兹力公式的建立，带电体产生的电场以及带电体之间相互作用的定量研究，试验电荷的引入等等，都离不开点电荷。同学一致觉得点电荷不容易理解，在这里我利用质点这一物理模型去类比，他们都欣然接受了。

在讲道如何描述磁场强弱，利用磁场和电场的诸多相似性，引入磁感应强度，学生提出分析磁体在磁场中受力情况，参照电场强度的定义方法来定义磁感应强度。电场强度的定义是放入电场中某一点的电荷受到的电场力跟它的电量的比值叫该点的电场强度。那磁感应强度就应该与有放入磁场中某一点的磁极受到的磁场力有关。有同学提出磁体都有两极，没法分开。有同学说把磁体摔成两段就可以了，让磁铁南北极分家，一块没了南极，一块没了北极。有的同学点头认可，有的矢口否认，还有的不知所措。于是我请同学们自己来判断磁铁断了以后，真的是南北极分家吗？试验过后，同学告诉我这磁铁摔断后居然能长出南北极。有同学说“真神奇，有点像蚯蚓一样，断了头能长头，断了尾能长尾” ”多么形象确切的比喻呀，我相信同学们都会记住这个现象的。

在讲到电源时，讲电源是通过非静电力做功把其他形式能转化为电能的装置，而学生很难理解电源的电压不变和电流的持续性，我们用抽水机类比电源。水箱里的水从出水口流出，水位会下降，而抽水机则消耗电能把水抽到水箱之中，以保证水位差不变，确保水能源源不断的流出。而电源的作用就是保持导体两端的电压，使导体中有持续的电流。电荷在外电路中运动，正电荷沿电流方向流走了，使正负极之间的电压有所降低，电源则消耗化学能等其他能量，又将正电荷搬回正极，以确保正负两极之间的电势差。

在解释闭合电路中电势升降问题时，将闭合电路中电势升降与“儿童滑梯” 类比。儿童滑梯两端的高度差相当于内外电阻两端的电势差。电源就像升降机，升降机举起的高度相当于电源的电动势。即形象有真实，学生理解起来就容易很多。

电动势的概念中只是说“电动势等于电源没有接入电路时两极间的电压”，这种表述，没有说明电动势的实质，学生难以理解。我做了这样的类比和说明：电动势表示电源把其他形式的能转化为电能的本领，电动势越大，那么这种本领就越强，电源未接入电路时，这种本领没表现出来，但仍旧具有这种本领，且大小不变。就好像阳台上放了一个花盆，楼底下的人会感受到威胁，会离楼房远远的，你总不能说“哎，我家的花盆又有没有掉下去，你怕什么？”花盆放在阳台上，它有砸伤人的能力，而且放的越高，它的能力越大，只是现在还没表现出来。学生很快就理解了这个概念。

在讲解导体中有电流时遇到这样一个问题：自由电子定向运动的速度很小，但为什么在很远的地方接通电键，电灯立刻就亮了起来呢？这里是要区分三种速率：无规则热运动速率（约为10⁵m/s）、自由电荷定向移动速率（约为10^-5m/s---10^-4 m/s）和电场传播速率（电流传导速率）。电场传播速率它等于光速，电路一旦接通，电源就以光速在电路中各处建立了电场，整个电路上的电子几乎同时受到电场力作用而做定向移动；所以一接通电键，用电器中就立刻有了电流。这里形成电流的速度不是自由电子运动的速度，而是电场传播的速度。这样的解释比较准确但学生不容易想明白，我只好换一种方法来解释，好比有个管子，里面装满黄豆后，这时再从一头塞进去一粒黄豆，另一头马上就出来一粒，这相当于电场传播速度；而你单独看管子里的某一粒黄豆时，它的移动速度是很小的，相当于电子定向移动的速度。所以“电”的速度是电场的传播速度，而不是电子的定向移动速度。

 在讲电容器电容时，我们打个形象的比方, 用一个圆柱形杯子来代表电容器，水杯是储存水的容器；电容是储存电荷的容器。电容器类比于水杯，它的电量即一杯水中装了多少水，电压就是那个水的深度，电容就是杯子的截面积(或者更形象的是直径)。对一个确定的水容器而言，水容是不变的，你装不装水，可以容纳水的量是不变的，也就是说水容量与m、h无关。对一个确定的电容器而言，电容也是不变的，C与Q、U无关。用水杯的储水问题类比电容器电容。电容这个十分抽象的物理模型就形象化了，学生理解起来就容易多了。

在讲到点电荷电场的等势面时，我们用地理上的等高线类比等势面（线），在等高线上运动，高度不变，重力不做功，重力势能不变；在等势面（线）上移动电荷，电场力不做功，电势能不变。

类比教学是课堂教学的一种重要方法，它是利用已有的知识，去学习新知识的一种可行方法，在物理教学中会经常使用。类比是一种推理方法，但不是唯一的推理方法，常与归纳、演绎等推理方法相结合使用，分析问题时，类比显得大有作为。所以用类比进行学习知识和探究问题等的同时必须对两种概念、实验、规律的形成的过程等进行对比教学，这样既找到了它们的联系又发现了它们的区别，更有利于学生理解、掌握和运用知识。

高中物理有些概念和规律相对学生来说比较抽象, 难以理解。若用形象的类比和简单的比喻分解来讲, 应用到物理教学中，配合正面讲解，可使抽象的概念简单化，深奥的理论通俗化，枯燥的问题趣味化，可使学生豁然开朗，从而突破难点，达到教学的目的，使之在兴味盎然中轻松愉快地学到知识，掌握规律，起到化平庸为神奇之效。

           （因某些原因，本文所配图示无法显示，为此深感抱歉。）