類比方法在高三物理復(fù)習(xí)教學(xué)中的運(yùn)用策略探討

馬 博

(江蘇省徐州市第二中學(xué)，江蘇 徐州 221000)

1 引言

高三物理復(fù)習(xí)是學(xué)生綜合分析能力得到快速提升的重要階段，在高中三年的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生積累的大量物理知識許多是以“知識碎片”的形式無序地存儲在學(xué)生的大腦中，并未形成嚴(yán)密的知識體系。引導(dǎo)學(xué)生梳理所學(xué)知識,建構(gòu)知識體系，幫助學(xué)生提升解決問題的能力，是高三物理復(fù)習(xí)教學(xué)的重要任務(wù)。[1]然而在復(fù)習(xí)教學(xué)中，部分教師引導(dǎo)學(xué)生簡單重復(fù)所學(xué)知識,大量做練習(xí)題,將學(xué)生推進(jìn)了“題海困境”，降低了復(fù)習(xí)的效率。筆者在復(fù)習(xí)教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，科學(xué)運(yùn)用類比方法，搭建新舊知識之間的橋梁,有利于學(xué)生對知識體系進(jìn)行有序建構(gòu)，綜合提升其問題解決能力。下面以“靜電場”復(fù)習(xí)為例，探討類比方法在高三物理復(fù)習(xí)教學(xué)中的運(yùn)用策略。

2 類比方法的運(yùn)用

2.1 巧用類比方法，讓學(xué)生的概念認(rèn)知更深刻

“靜電場”是高中物理知識體系中的重要一環(huán)，其相關(guān)的物理概念較為抽象，學(xué)生往往難以理解。而正確理解物理概念、熟知物理概念的內(nèi)涵和外延是應(yīng)用物理概念解決問題的基礎(chǔ)。[2]為此，在復(fù)習(xí)與“靜電場”相關(guān)物理概念時(shí)，可以巧用類比方法，將“靜電場”與學(xué)生相對熟悉的“重力場”相類比。比如將“電場強(qiáng)度E”類比為“重力加速度g”，g是表征重力場力性質(zhì)的物理量，與重力場的“場源”(中心天體)以及所在場中的位置有關(guān)；而E是表征靜電場力性質(zhì)的物理量，與產(chǎn)生靜電場的“場源電荷”以及所在場中的位置有關(guān)。再比如，在復(fù)習(xí)“電勢φ”時(shí)，可與“重力場”中的“gh”進(jìn)行類比，它們都是表征場能量性質(zhì)的物理量，其大小都是由“場源”和所在場內(nèi)的位置決定的。

綜上所述，巧用類比方法復(fù)習(xí)物理概念，建立概念之間的內(nèi)在聯(lián)系，有利于強(qiáng)化學(xué)生對概念的理解，有助于學(xué)生全面、系統(tǒng)地認(rèn)知物理概念。

2.2 妙用類比方法，讓問題解決思路更清晰

高中物理涵蓋大量的知識內(nèi)容，這些知識間存在著很多內(nèi)在聯(lián)系，物理規(guī)律間也有相似、相通之處，因此解決問題的方法也存在相通的地方。比如在處理靜電場功能關(guān)系時(shí)，可與重力場中功能關(guān)系相類比，電場力做功、重力做功都與路徑無關(guān)，重力做功大小W1=mgh，只與起點(diǎn)和終點(diǎn)的高度差相關(guān)；電場力做功大小W2=Uq，只與起點(diǎn)和終點(diǎn)的電勢差相關(guān)。重力做功等于重力勢能的減少量，電場力做功等于電勢能的減少量。對只有重力做功過程的單個物體而言，其動能Ek與重力勢能Ep之和保持不變，即(Ek+Ep)為定值，也就是機(jī)械能守恒；類似地，若在一段運(yùn)動過程中只有電場力做功，則只有帶電體的動能和電勢能參與能量轉(zhuǎn)化。通過類比，可以得出類似于機(jī)械能守恒定律的推論。

推論1：若在一段運(yùn)動過程中只有電場力做功，則帶電體的動能Ek與電勢能Ep之和保持不變。

在處理只有電場力做功的問題時(shí)，可與機(jī)械能守恒定律的使用方法類比，把“推論1”作為分析問題的出發(fā)點(diǎn)，以下通過兩道例題來具體說明其運(yùn)用策略。

例1：如圖1所示，實(shí)線為方向未知的三條電場線，虛線1、2、3分別為三條等勢線，三條等勢線與其中一條電場線的交點(diǎn)依次為M、N、Q，已知MN=NQ，電荷量相等的a、b兩帶電粒子從等勢線2上的O點(diǎn)以相同的初速度飛出，僅在電場力作用下，兩粒子的運(yùn)動軌跡如圖1中虛線a′、b′所示，則( )。

A.a粒子一定帶正電，b粒子一定帶負(fù)電

B.MN兩點(diǎn)電勢差|UMN|等于NQ兩點(diǎn)電勢差|UNQ|

C.a粒子的加速度逐漸增大，b粒子的加速度逐漸減小

D.a粒子從出發(fā)到等勢線3過程的動能變化量比b粒子從出發(fā)到等勢線1過程的動能變化量小

圖1

本題重在考查靜電場情境下的受力分析及功能關(guān)系。通過分析選項(xiàng)B可知：|UMN|>|UNQ|。下面重點(diǎn)闡述如何運(yùn)用由類比方法得出的“推論1”，來分析和理解D選項(xiàng)中的功能關(guān)系。

因a、b所帶的電荷量相等，設(shè)為q，則：a粒子從等勢線2運(yùn)動到等勢線3的過程中，電場力所做功Wa=q|UNQ|；b粒子從等勢線2運(yùn)動到等勢線1的過程中，電場力做功Wb=q|UMN|，結(jié)合|UMN|>|UNQ|，可得：Wb>Wa。

由“電場力做功等于電勢能的減少量”，可知：ΔEpb>ΔEpa。而題干中“僅在電場力作用下”表明運(yùn)動過程中只有電場力做功，滿足“推論1”的適用條件，故可得：(Ek+Ep)為定值，即電勢能減少多少，動能就會相應(yīng)增加多少。因此可得：ΔEkb>ΔEka，在此過程中，a粒子動能變化量比b粒子動能變化量小，D選項(xiàng)正確。

通過“例題1”的分析，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用類比方法得到的“推論1”，分析和理解靜電場中的功能關(guān)系，幫助學(xué)生將“靜電場”部分的功能關(guān)系與“機(jī)械能”部分的功能關(guān)系建立聯(lián)系，利于學(xué)生清晰認(rèn)知物理問題。

例2：如圖2所示，圖中虛線a、b、c、d、f代表勻強(qiáng)電場內(nèi)間距相等的一組等勢面，已知平面b上的電勢為2 V。一電子經(jīng)過a時(shí)的動能為10 eV，從a到d的過程中克服電場力所做的功為6 eV，不考慮重力，下列說法正確的是( )。

A. 平面d上的電勢為零

B. 該電子可能到達(dá)不了平面f

C. 該電子經(jīng)過平面d時(shí)，其電勢能為4 eV

D. 該電子經(jīng)過平面b時(shí)的速率是經(jīng)過d時(shí)的2倍

圖2

本題以勻強(qiáng)電場為情境，重在考查勻強(qiáng)電場中等勢面的特點(diǎn)及靜電場中的功能關(guān)系。因等勢面間距相等，由U=Ed得：相鄰虛線之間電勢差相等，由a到d，eUad=-6 eV，故Uad=6 V；因電場力做負(fù)功，故電場方向向右，沿電場線方向電勢降低，又φb=2 V，則φc=0，φa=4 V，φd=-2 V。在復(fù)習(xí)教學(xué)中可引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“推論1”分析D選項(xiàng)中的功能關(guān)系。

因運(yùn)動過程中只有電場力做功，根據(jù)“推論1”可知：電勢能與動能之和保持不變，Ekb+Epb=Ekd+Epd=Eka+Epa，根據(jù)Ep=qφ可得：Epb=-2 eV，Epd=2 eV，Epa=-4 eV。而Eka=10 eV，代入得：Ekb=8 eV；Ekd=4 eV，進(jìn)而可以判定出D選項(xiàng)中的速度關(guān)系。

在上例中，巧妙運(yùn)用“推論1”解決了靜電場中的功能關(guān)系問題。在解決過程中容易發(fā)現(xiàn)“推論1”的應(yīng)用表達(dá)式與“機(jī)械能守恒”的表達(dá)式非常相似，這讓學(xué)生產(chǎn)生似曾相識的熟悉感，利于學(xué)生理解相關(guān)物理知識。

通過上述兩例發(fā)現(xiàn)：(1) “推論1”的適用條件是帶電體運(yùn)動過程中只能有電場力做功，與機(jī)械能守恒定律的適用條件類似。因此，與運(yùn)用機(jī)械能守恒定律的步驟一樣，在使用“推論1”前也需要先判定是否符合使用條件。(2) “推論1”的運(yùn)用將“靜電場”中的功能關(guān)系與“重力場”中的功能關(guān)系聯(lián)系在了一起，有助于促進(jìn)學(xué)生的知識正向遷移。

運(yùn)用類比方法，還可以引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)深入思考：若在一段運(yùn)動過程中只有電場力和重力做功，則只有機(jī)械能與電勢能參與能量轉(zhuǎn)化，由此可類比得到第二個推論。

推論2：對單個物體而言，若在一段運(yùn)動過程中只有電場力和重力做功，則此過程中帶電體的機(jī)械能與電勢能之和保持不變。

“推論2”也可用于對相關(guān)問題的分析和理解，但在具體使用時(shí)更多會直接以能量守恒的形式體現(xiàn)，此處不再展開。

除此之外，還有很多其他物理問題的分析也可用類比方法來解決，比如帶電粒子在靜電場中的偏轉(zhuǎn)問題可與重力場中的平拋運(yùn)動相類比，等等。總而言之，靈活運(yùn)用類比方法分析解決物理問題，利于學(xué)生加深對物理規(guī)律的理解，使學(xué)生對物理問題的認(rèn)知更加清晰透徹。

高中物理知識間有著高度的關(guān)聯(lián)性，比如重力場、靜電場和磁場。如學(xué)習(xí)靜電場時(shí)可類比重力場一樣，學(xué)習(xí)磁場時(shí)也可活用類比方法，將磁場與靜電場進(jìn)行類比。如磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義方式、安培力以及電荷在磁場中的運(yùn)動等。實(shí)踐表明，在高三物理復(fù)習(xí)教學(xué)中活用類比方法，可以促進(jìn)學(xué)生知識體系的有序建構(gòu)，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)更加輕松。

3 類比方法的運(yùn)用原則

類比方法雖好，卻不可濫用。在教學(xué)中使用類比方法，要遵循以下原則。

(1) 類比方法的使用要科學(xué)有效。用于類比的知識間要真實(shí)存在相似關(guān)系，要有利于知識的梳理和規(guī)律的概括。

(2) 類比方法的使用要能夠引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)信心。興趣能夠使學(xué)習(xí)更主動,信心能夠使學(xué)習(xí)可持續(xù)。

(3) 類比方法的使用要做到以學(xué)生為主體。任何教學(xué)方法的使用,都要符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，類比方法也不例外。

4 結(jié)語

類比方法是一種可以促進(jìn)知識“遷移”、助力將所學(xué)知識融會貫通的思維方法。科學(xué)運(yùn)用類比方法開展高三物理復(fù)習(xí)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生梳理知識，建立物理知識間的聯(lián)系，能夠有效促進(jìn)學(xué)生有序構(gòu)建物理知識體系，顯著提高復(fù)習(xí)教學(xué)效率，值得繼續(xù)探索和實(shí)踐。