物理教学中的类比方法研究

摘 要： 概念与规律的教学是物理教学的重点。不同的概念与规律具有不同的内涵和外延。类比是借助于事物间的相似性，通过比较将一种已掌握特殊个体的特征推移到另一个新的特殊个体中的研究方法。在中学物理教学中，类比教学则通过把学生熟悉的知识与陌生的知识相比较，为认识新事物提供线索和方向，以加强知识间的横向联系与沟通，从而达到举一反三的目的。用类比的方法讲解物理概念、规律，求解习题及进行复习，不仅易于教学，而且可拓宽学生的视野、提高分析的综合迁移能力。因其遵循了学生的认知规律，故能够有效提高教与学的效率。

关键词： 类比方法 中学物理教学 概念与规律

一、天体运动与核式结构

卫星受万有引力作用绕行星做圆周运动的情形与氢原子核外电子受库仑力作用绕核做圆周运动的情形相似。在讲授玻尔理论时，学生已建立了天体运动模型，知道了卫星的轨道半径越大，加速度、速度和动能越小，周期和引力势能越大，同一卫星的机械能也越大。这时则可将电子绕核运动的速率、加速度、周期和动能和卫星的类比，将电子的电势能与重力势能、氢原子的能级与行星卫星系统的机械能类比。通过微观与宏观的类比，学生便很容易理解并分析氢原子跃迁过程中电子动能、电势能和能级的变化了。

例1：氢原子吸收某一频率的光子后，以下说法正确的是（ ）

A.氢原子向较高能级跃迁；

B.核外电子的动能增大；

C.氢原子系统的电势能增大；

D.跃迁过程电子动能的变化小于电势能的变化。

解析：吸收光子后向高能级跃迁，r增大，F库减小，a、v减小，T、E电增大，Ek减小。因为总能级增大，所以电势能的增加量大于动能的减少量，选A、C、D。

二、简谐运动与电磁振荡

简谐运动中振子的动能、势能相互转化并保持总能量守恒，在LC回路振荡过程中，若不计LC中电磁辐射，则电感中电流所表征的磁场能（i、B、Φ、E）与电容中电量所表征的电场能（q、U、E、E）也进行相互转化并保持总能量守恒。不同之处在于一个是力学量的振荡，一个是电学量的振荡。在电磁振荡章节的教学中，将单摆摆球的动能类比LC回路中电流，将摆球重力势能与LC回路中电容上的电量类比，并结合状态图分析，教学效果较好。

三、势能的类比

只有在保守力（即该种力做功与路径无关，只由始末位置决定）做功时，才可引入与其相对应的势能。因重力、弹簧弹力、电场力、分子力均为保守力，做功都与路径无关，只由始末状态的相对位置（的高度差、电势差等）决定。故重力势能及弹性势能、电势能、分子势能虽分属机械能、电能、内能，但它们具有某些共性。与势能相关的力做正功，则势能减小；与势能相关的力做负功，势能则增加。在每学到一种势能时，将其与前面的势能建立联系并类比，能够帮助我们理解概念。如学到分子力做功与分子势能变化关系时，用两物块弹簧系统与其对比，将平衡位置处与弹簧原长位置类比，就能较容易理解分子势能随分子间距的变化规律了。

四、场的类比

1.叠加场与重力场

轻杆与球、轻绳与球两种模型在重力作用下在竖直平面内完整圆周运动的条件建立后，学生在学习到带电小球在电场别是叠加场中的圆周运动问题时，往往不能透彻分析。此时，教师如能帮助学生通过等效重力场的角度去思考即将电场和重力场叠加后成为一合力的叠加场G’，学生的思维就不存在障碍了。

例2：如图1所示，轻绳系一带正电、重G的小球悬挂在竖直向上的匀强电场中，使小球以悬点O为圆心在竖直平面内作圆周运动，则：（ ）

A.小球可能做匀速圆周运动

B.小球只能做变速圆周运动

C.小球经最低点A时，绳子拉力可能最小

D.在小球经最高点B时，绳子拉力一定最小

解析：球受重力G’、向上的电场力F及绳的拉力T。将G’与F合成为一等效的重力场G’后，只需分析球在重力场G’中的运动就行了。G’可能有三种情况：

（1）F=G，G’=0，球受绳拉力T作用而在竖直平面内做匀速圆周运动，此时T=mv2/L不变。

（2）F

（3）F>G，G’向上（如图3），转换一下思维角度，球仍做变速圆周运动，在最高点B（G’中的“最低点”），速度最大，T最大；最低点A（G’中的“最高点”），速度最小，T也最小。

故选A、C。

例3：在竖直放置的光滑绝缘圆环中，套有一个带电-q、质量为m的小环，整个装置放在图4所示的正交电磁场中，水平匀强电场场强E=mg/q。当小环从大环顶点无初速下滑后，在滑过下列弧度时，所受洛伦兹力最大的位置是（ ）

A.π/4B.π/2C.3π/4D.π

解析：将电场与重力场叠加后为一斜向左下方的等效重力场G’，其与竖直方向的夹角满足tgθ=F/G，如图5。图5中A点为G’中“最低点”，速度最大，洛伦兹力最大。

故选：C。

2.电场与磁场

电场与磁场统称电磁场，它们间存在着紧密的联系，在一定的条件下可以相互转化。在学习中若采用图表类比，知识结构、研究方法与教材的理论构思就将一目了然。

电场性质的研究方法：

引入检验电荷受电场力 力的性质 定性与定量描述（电场线和场强）具有电势能 能的性质定性与定量描述（等势能和电势）

典型问题：静电平衡、带电粒子在电场中的运动。

磁场性质的研究方法：

引入检验电流定性与定量描述（磁感线与磁感应强度）

电与磁联系：麦克斯韦电磁场理论、法拉第电磁感应定律。

类比学习的素材是随处可得的，其他如：电流与水流、电压与落差、机械波与电磁波、光的波粒二象性、平抛运动与匀强电场中偏转的研究方法等。运用类比，可巩固已有知识并把研究对象条理化、系统化培养迁移的习惯；可对学科的结构及研究方法有一个全面、整体的把握，并能够将不同的章节、不同的内容综合理解、实现迁移，进而融会贯通。