类比法在大学物理教学中的应用

[摘要]类比法是常用的教学方法，使用得当可以使教学效果事半功倍。本文以刚体力学为例，介绍了类比法在大学物理教学用的应用。

[关键词]类比法 大学物理 刚体力学

[中图分类号]0413.1 [文献标识码]A

类比法是一种常用的教学法，如果使用得当，可以大大简化教学过程，提高教学效果。关于类比法在教学中的应用，已经有过很多的讨论[1,2]。本文将以刚体力学为例，讲述类比法在大学物理教学中的应用。

大学物理的力学部分相对于中学物理的力学部分在内容上最大的差别便是增加了刚体的内容。该部分内容是大学物理力学篇的重点，但由于其对学生而言是全新的内容，故也是一个难点。但如果利用类比法，该部分的教学将大大简化。我们注意到，刚体部分的每一个概念、定理、定律在质点力学中几乎都能够找到其对应。下面我们将从基本物理量的对应出发，用类比的方法给出刚体绕定轴转动的所有定律。

一、基本物理量的类比

质点力学有五个基本物理量，它们是位置x，速度v，加速度a，力F和质量m；刚体力学中有五个与之对应的基本物理量，依次是角位置θ，角速度ω，角加速度β，力矩M和转动惯量J。

教学时可以先介绍这五组对应的基本物理量，然后再类比的讲述转动惯量的定义和意义：质量衡量平动惯性，转动惯量衡量转动惯性。相信有了上述对应后，学生对转动惯量所代表的物理意义的理解也会非常容易。

二、基本运动定律的类比

质点力学的核心运动定律是牛顿第二定律，即

F=ma （1）

根据上述对应，在刚体力学中，与F对应的是力矩M，与质量m对应的是转动惯量J，与加速度a对应的是角加速度β。于是，牛顿第二定律在刚体力学中的对应式为

M=Jβ （2）

这是刚体力学中的核心定律――转动定律。牛顿定律告诉我们，平动加速度与受力成正比，与质量成反比；转动定律告诉我们，转动角加速度与力矩成正比，与角加速度成反比。

三、作用累积效果的类比

力有两个累积效果，一是对空间的累积，二是对时间的累积，其累积效果分别为

（3）

（4）

其中，（3）式为动能定理，（4）式为动量定理。根据上述物理量的对应关系，很容易将上述关系式对应为

（5）

（6）

（5）式左端为力矩对空间的累积，为力矩的功；右端 与质点的动能相对应，为刚体的转动动能。这样一方面给出了力矩功和刚体转动动能的计算方法，也给出了刚体力学中的动能定理，即合外力矩的功等于刚体转动动能的增量。（6）式左端是力矩对时间的累积，称为冲量矩；右端Jω与质点力学中的动量mν对应，为转动角动量。这一方面给出了冲量矩和角动量的定义，也给出了刚体转动的角动量定理，即合外力矩的冲量等于刚体角动量的增量。

四、守恒律的对应

令（6）式左端为零，便得到了刚体力学中的角动量守恒定律，简言之即合外力矩为零，角动量守恒。该定律与质点力学中的动量守恒定律相对应。

其实，类比法并不限于刚体力学，在电磁学中也有重要的应用。如，静电场中的高斯定理在应用时可以与恒定电流磁场的环路定理进行类比，电场能量的计算式可以与磁场能量的计算式进行对比，电容的计算方法可以与电感的计算方法对比等等。总之，类比法如果应用得当，会简化教学、事半功倍。

[参考文献]

[1]刘琳.类比法在普通物理教学中的应用[J].马钢职工大学学报，2003，13（2）：37-39．

[2]皮小力,尹社会.类比法在刚体力学教学中的应用[J]．高师理科学刊，2008,28（4）：105-107.

（作者单位：安徽建筑工业学院 数理系 安徽合肥）