論類比法在高中物理核心概念教學(xué)中的應(yīng)用

楊武慶

在高中物理教學(xué)中核心概念的講解非常重要，有助于培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念和科學(xué)思維。通過掌握核心概念，學(xué)生更容易從物理情景中抽象出物理模型，解決實(shí)際問題。有研究表明，人們對自己既熟悉又有些陌生的知識(shí)學(xué)習(xí)起來更容易，收獲感更強(qiáng)，記憶會(huì)更加持久。在高中物理教學(xué)中，教師如果能夠巧妙地將新的物理概念類比學(xué)生熟悉的生活情景或者物理模型，化難為易，可提高課堂效率。本文就核心概念的講解，淺談?lì)惐确ǖ膽?yīng)用。

一、加速度類比速度

“加速度”的概念對高一的學(xué)生而言是一個(gè)難點(diǎn)。但是學(xué)生對速度這個(gè)概念比較熟悉，初中已經(jīng)講解過，且學(xué)習(xí)加速度之前對“速度”這個(gè)概念又進(jìn)行了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。速度是描述物體運(yùn)動(dòng)快慢的物理量，學(xué)生已經(jīng)知道如何比較兩個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的快慢：當(dāng)兩個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的位移相等時(shí)，比較它們運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間，用時(shí)少的物體運(yùn)動(dòng)得快;當(dāng)兩個(gè)物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相同時(shí)，比較它們的位移，位移大的物體運(yùn)動(dòng)得快;當(dāng)兩個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和位移均不相等時(shí)，我們可以通過比較單位時(shí)間內(nèi)物體通過的位移，來判斷運(yùn)動(dòng)的快慢，從而引出“速度”這個(gè)概念。

在講加速度的概念時(shí)，我們可以先幫助學(xué)生回顧速度的概念是如何提出來的，再引導(dǎo)學(xué)生思考：怎樣比較兩個(gè)物體速度變化的快慢？學(xué)生自然而然就可以想到：當(dāng)兩個(gè)物體的速度變化量相等時(shí)，比較發(fā)生這一變化所用的時(shí)間，用時(shí)少的物體速度變化快;當(dāng)兩個(gè)物體速度變化所用時(shí)間相同時(shí)，可比較它們的速度變化量，速度變化量大的物體速度變化快。教師可趁機(jī)追問學(xué)生：做變速運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體的速度變化量和時(shí)間均不相等時(shí)，該怎樣比較其速度變化的快慢呢？學(xué)生很容易提出類比速度的概念，提出比較速度變化快慢的方法：比較單位時(shí)間內(nèi)物體速度變化的快慢，即用速度變化量除以發(fā)生這一變化所用的時(shí)間。如此就順理成章地得到了“加速度”的概念，這樣的講解方式，有助于學(xué)生理解加速度的物理意義——描述物體速度變化快慢的物理量，也更容易區(qū)分“速度變化量大”“速度變化大”“加速度大”這幾個(gè)物理術(shù)語，表示的是不同的物理意義。

二、電場類比重力場

靜電場這一塊知識(shí)是高中物理的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在，對學(xué)生理解能力的挑戰(zhàn)比較大。我們可以通過引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系學(xué)過的重力相關(guān)的知識(shí)，幫助學(xué)生建立起電場的概念。比如，地球是產(chǎn)生重力場的原因，放在地球附近的物體都會(huì)受到它的影響，即受到重力。重力做功與路徑無關(guān)，只和物體所處的初末位置有關(guān)。當(dāng)物體所處的位置升高，重力就對物體做負(fù)功，物體的重力勢能增大，其他形式的能量轉(zhuǎn)化為重力勢能。在電場中也有相似的物理情景。電荷是產(chǎn)生電場的原因，放在它附近的帶電體都會(huì)受到電場的影響，即受到電場力。電場力做功與路徑無關(guān)，只和帶電體在電場中所處的位置有關(guān)。移動(dòng)帶電體在電場中的位置時(shí)，若電場力做負(fù)功，則電勢能增大，其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電勢能。

電勢差可類比高度差。基于重力勢能的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道，重力勢能具有相對性，其大小與所選零勢能面有關(guān)。物體在一個(gè)位置所具有的重力勢能與把它從該位置移動(dòng)到零勢能面重力所做的功相等。在同一個(gè)高度（同一水平面）上移動(dòng)物體，重力不做功。同樣的，在靜電場中也有相似的結(jié)論。電勢能也具有相對性。帶電體在某點(diǎn)所具有的電勢能與所選的電勢零點(diǎn)有關(guān)，其大小等于把帶電體移動(dòng)到零勢能面電場力所做的功。在等勢面上移動(dòng)帶電體，電場力不做功。通過這樣的類比，教師可引導(dǎo)學(xué)生思考、總結(jié)，得出結(jié)論：電勢差可類比高度差，電勢可類比高度。高度與電勢都是相對的，與選擇的參考面有關(guān)。重力場中確定的兩點(diǎn)之間的高度差以及電場中確定的兩點(diǎn)之間的電勢差都是絕對的，不會(huì)隨參考面的改變而改變。

在教學(xué)過程中，我們要有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生把新的概念融合進(jìn)自己已有的知識(shí)儲(chǔ)備中，通過類比、對比舊的知識(shí)，來加工處理新的復(fù)雜概念。通過這樣的教學(xué)方法，學(xué)生的創(chuàng)造性思維會(huì)得到開發(fā)，有利于從本質(zhì)上掌握物理規(guī)律之間的關(guān)系。

三、庫侖定律類比萬有引力定律

電荷屬于微觀世界的物質(zhì)，學(xué)生會(huì)覺得比較抽象，看不到、摸不著，但是在學(xué)習(xí)電荷間相互作用之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過萬有引力定律。我們可以啟發(fā)學(xué)生聯(lián)系萬有引力相關(guān)的知識(shí)，進(jìn)行類比分析、理解記憶，幫助學(xué)生理解這部分知識(shí)。萬有引力定律是牛頓發(fā)現(xiàn)的適合宏觀世界的一條普適的規(guī)律：自然界任何兩個(gè)物體之間都存在相互吸引的力，其大小與物體質(zhì)量乘積成正比，與兩物體之間距離的平方成反比。在宏觀世界中質(zhì)量是物體的一種固有屬性，是不能被忽略的，但在某種情況下物體的形狀和大小是可以被忽略的。質(zhì)點(diǎn)（只有質(zhì)量沒有形狀的點(diǎn)）這一理想模型的提出是為了更加簡潔地描述物體的運(yùn)動(dòng)。從嚴(yán)格意義上說，萬有引力只適應(yīng)于兩個(gè)物體可被視為質(zhì)點(diǎn)的情況。兩個(gè)物體之間的引力指向兩物體中心的連線方向?？ㄎ牡显S的“扭稱實(shí)驗(yàn)”利用杠桿和放大法測出了引力常量。

在靜電場的世界也有同樣非常相似的結(jié)論——庫侖定律。庫侖定律描述的是電荷和電荷之間的相互作用，兩個(gè)電荷之間存在引力（異種電荷）或者斥力（同種電荷），其大小與兩個(gè)電荷的電荷量的乘積成正比，與兩電荷之間的距離的平方成反比。在微觀世界，研究電荷間相互作用時(shí)，電荷量是帶電體的一種屬性，是不可忽略的，但是其大小和形狀在某種情況下可以被忽略。點(diǎn)電荷（只有電荷量沒有形狀的點(diǎn)）這個(gè)理想模型的提出是為了方便描述受力，這和宏觀世界質(zhì)點(diǎn)的模型正好對應(yīng)起來。嚴(yán)格意義上說，庫侖定律只適應(yīng)于點(diǎn)電荷的情況。兩個(gè)點(diǎn)電荷之間的排斥力或者吸引力指向它們的連線方向或者其連線的反方向。庫侖定律中的靜電常量是通過庫侖扭稱測出來的，也利用到了杠桿和放大法。

通過這樣的對比、類比和分析方法，可以引導(dǎo)學(xué)生欣賞自然科學(xué)定律的簡潔形式，讓學(xué)生感受自然規(guī)律對稱的藝術(shù)和神奇，也引導(dǎo)學(xué)生思考怎樣研究物理規(guī)律，我們可以根據(jù)已有的知識(shí)，大膽地提出假設(shè)，嚴(yán)格論證，不斷探索新的知識(shí)，這也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的一種方式。至于為什么萬有引力和電荷間相互作用會(huì)有如此相似的形式，現(xiàn)在科學(xué)家還給不出解釋，會(huì)不會(huì)真的存在愛因斯坦所思考的“大一統(tǒng)”理論，這些都可以作為啟發(fā)學(xué)生思考的思路，引導(dǎo)學(xué)生去探尋物理學(xué)更加本質(zhì)的規(guī)律。

四、恒定電場類比水流

學(xué)生在學(xué)習(xí)恒定電場時(shí)對電學(xué)已經(jīng)有初步的認(rèn)識(shí)，但是不夠系統(tǒng)、不夠深刻。在這一部分的講解中，我們可以引導(dǎo)學(xué)生將恒定電場和水流進(jìn)行比較，深入淺出地進(jìn)行講解。在自然情況下，水流可以自發(fā)地從水位高的A水池流向水位低的B水池。但是隨著水的流動(dòng)，兩個(gè)池子的水面相平時(shí)就不會(huì)有水流繼續(xù)流動(dòng)。如果想讓水源源不斷地從A池流向B池，就需要利用電動(dòng)機(jī)把已經(jīng)流向B池的水抽到A池中，使A、B兩個(gè)池子維持一定的水位差。同樣地，電流也能自發(fā)地從電勢高的地方流向低電勢的地方，即在外電路中電流是從正極流向負(fù)極的，即電子可自發(fā)地從負(fù)極移向正極。但是隨著電流從正極往負(fù)極的流入，正負(fù)極之間的電勢差會(huì)逐漸減小直至電勢相等，電路中不再有電流。要使電路中始終有電流，就需要一個(gè)類似于電動(dòng)機(jī)的裝置，把已經(jīng)到了負(fù)極的電流再次運(yùn)到正極，即將電子從正極搬運(yùn)到負(fù)極，這個(gè)裝置就是電源。所以電源的作用就呼之欲出了——運(yùn)輸電子，使正負(fù)極之間就會(huì)有穩(wěn)定的電勢差，保證電路中有源源不斷的電流。從這樣類比的角度，學(xué)生能夠更加深刻地理解什么是電源以及電源在電路中的作用。

在學(xué)習(xí)串聯(lián)電路和并聯(lián)電路的時(shí)候，我們依然引導(dǎo)學(xué)生將電流類比成水流。二者的相似之處在于：串聯(lián)電路的電流流經(jīng)途徑是唯一的，所以電路中電流是處處相等的;在水路中如果水只能通過一條水管，那么在水管里的任何地方，流過的水量都是相等的。并聯(lián)電路中的干路與支路的關(guān)系類似于水流中總管道與分支管道之間的關(guān)系。在水路中總管道的水流量等于各個(gè)分支路的水流量之和，在并聯(lián)電路中干路的電流等于各個(gè)支路的電流之和。

學(xué)習(xí)是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，在這個(gè)過程中，學(xué)生不斷地整合新舊知識(shí)逐步形成自己的認(rèn)知觀。在教學(xué)過程中，我們需要立足學(xué)情，站在學(xué)生的角度，引導(dǎo)學(xué)生在已有的知識(shí)中生長出新的知識(shí)。我們需要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)從已有的規(guī)律中發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律，并用自己的方式理解它，最終獲得掌握解碼新知識(shí)的能力，去探索未知的領(lǐng)域，這應(yīng)該就是我們物理教學(xué)的終極目標(biāo)，也是教育根本的意義所在。

參考文獻(xiàn)：

[1]萬維鋼.高手精英的見識(shí)和我們的時(shí)代[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017-09.

[2]陳海博，李博，侯恕.對高中物理電勢概念建立與理解的教學(xué)思考[J].物理教學(xué)探討，2021（7）.

[3]吳玖陽.類比法在高中物理中的應(yīng)用[J].物理通報(bào)，2018（5）.