浅谈类比在高中物理电场教学中的应用

鄢必生

【摘要】 物理学史上有一个著名的故事，爱因斯坦在做完关于相对论的演讲之后，有人希望他用最简单易懂的方式解释一下相对论。爱因斯坦做了一个绝妙的类比，“如果和你爱的人在一起，过几个小时就像过几分钟一样；如果光屁股坐在火炉上，过几分钟就像过几个小时一样！”正是这个绝妙的类比，让抽象、深奥的相对论走向全世界。

【关键词】 高中物理 电场教学 类比

【中图分类号】 G633.7 【文献标识码】 A 【文章编号】 1992-7711（2015）12-050-010

类比在物理学发展史上的作用举足轻重。卢瑟福用行星系统类比原子的核式结构模型，否定了汤姆生的“枣糕”模型；德布罗意用机械波的波动性类比提出了一切实物粒子都具有波动性；狄拉克根据对称性，类比提出了“正电子”的假说。相关的例子不胜枚举。

既然类比这么重要，究竟什么是类比呢？麦克斯韦对类比的理解比较深入，“所谓物理类比，我指的是一种科学定律与另一种科学定律之间的部分相似性。它使得这两种科学可以相互说明。”在物理概念的形成，物理理论的构建，推理方法的应用以及规律的表现形式等诸多方面都体现了物理类比。在电场教学中，合理应用类比可以将抽象的理论生动化，能培养学生兴趣，提高学习效率，下面和大家分享几个教学实践中的案例。

1.用降雨强度类比电场强度

电场强度的定义是E=F/q，很多学生由于数学思维的惯性，认为E与F成正比，与q成反比。无论老师如何强调E与F和q无关，有些同学还是难以接受。如果用降雨强度的概念类比，有些理解上的障碍可能会化解。

教室外面在下雨，学生和老师都想知道外面的雨下的到底有多大，于是一个共同的问题呈现出来，如何衡量降雨强度？有一种方案，让一个同学去外面试试，看他淋湿程度来判断降雨的强度。如果衣服湿透了说明雨下的大，衣服湿一层，说明雨下的小。这一点和电场强度的描述类似，如果不知道空间某处电场的强弱，于是放入一个试探电荷，看试探电荷的受力，如果受力大说明电场强度大，受力小，说明电场强度小。

细心的学生会提出异议，“不能单纯的用学生衣服淋湿的程度说明降雨的强度，因为没有考虑在雨中淋了多长时间。降雨量小，淋的时间长，衣服也能淋湿透了。”如何才能更准确的描述降雨的强弱呢？“单位面积，单位时间内降雨量的多少可以衡量降雨强度。”学生很容易达成共识。和电场强度的描述类似，不能用电荷受力的大小来描述电场的强弱，因为受力大也可能是电荷量大的缘故。如果用单位电荷的受力来衡量电场强度就比较科学，从而引入E=F/q来定义电场强度。

还可以类比的是，探测降雨强度，让男生出去，还是让女生出去都可以，但是老师一般会让男生出去。在电场强度的探测中，要选择试探电荷，用正电荷和负电荷都可以，一般选择用正电荷。如果没有同学出去探测降雨强度，外面的雨还会不会下？如果没有用试探电荷探测电场强度，空间的电场还会不会存在？相信同学们能得出正确的答案。

2.用素描类比电场线

为了能形象生动的描述场强这个抽象的物理概念，引入了电场线，用电场线的疏密描述场强的大小，用箭头描述场强的方向。电场线形象的描述电场的主要特征，但是电场线不存在。这又给学生带来了理解上的难题。电场强度看不见，但是真实存在；电场线看得见，但是又不存在。用学生的话说“电场，你到底还要不要人活了”？

用素描类比电场线，可以为学生的理解搭建一个平台。会场上，如果我们想介绍一位不在现场的朋友的外貌特征，我们可以用文字描述：长头发、大眼睛、瓜子脸、柳叶眉、高鼻梁。听完之后，可能还会有人想象不清楚到底是什么样。如果我们将这位朋友的素描拿给大家看，相信所有人在第一时间就能清晰的呈现他的样子。尽管素描不是人本身，但是，素描形象的反映了人的特征。同理，尽管电场线是假想的，是不存在的，但是用电场线也可以形象的描述电场的特征。

3.用水容器类比电容器

电容器是静电场教学中的难点，而它又是我们日常生活中最常见的电子元件之一，冰箱、彩电、洗衣机中都有，每个人手机里的电池就是一个电容器。因此，电容器的教学既难又重要！学生对电容器的电容C=Q/U的理解经常出现偏差，学生会习惯性的认为C与Q成正比，与U成反比，在教学中我们常常苦恼，而又没有可行的办法。

用几个不同材质和形状的杯子放在一起，很容易发现它们有一个共同的功能——盛水，因此，它们可以按照功能命名——水容器。用水容器的容积类比电容器的电容。水容器的容积只是说明它盛水的能力，不能说明现在水容器中有多少水；相类似，电容是说明电容器盛电的能力，也不能说明现在电容器中有多少电。水容器的容积是由容器本身的构造决定的，比如，方形杯子的容积是由长、宽、高决定。相类似，电容器的电容也是由电容器本身的构造决定，比如，平行板电容器的电容是由极板正对面积，极板间距，电解质的介电常数决定。水容器可以有塑料的，金属的，陶瓷的；类似，电容器也可以有不同材质和形状。

4.用肉夹馍类比电解质电容器

肉夹馍，其实是馍夹肉，它是中国的一道传统美食，学生在日常生活中都尝试过或见过。肉夹馍没有具体的标准，要求在馍中间夹肉，但是没有要求夹什么肉，夹猪肉是传统的肉夹馍，夹驴肉就成了驴肉火烧，夹火腿和奶油就成了三明治。也可以根据不同要求加入不同种类的肉，开发出不同的美食。

5.类比的局限性

类比在某种程度上能帮助学生理解抽象、深奥的物理知识、概念、规律，但它不是问题本身，也不可能解决所有问题，甚至还会出现偏差。有时，两个物体之间不一定存在必然联系，或从某一个方面的相似性推广到另一个方面时不一定成立。在物理学史上，由类比得到的错误结论也一度将物理引入迷途。