论类比法在高中物理核心概念教学中的应用

杨武庆

在高中物理教学中核心概念的讲解非常重要，有助于培养学生的物理观念和科学思维。通过掌握核心概念，学生更容易从物理情景中抽象出物理模型，解决实际问题。有研究表明，人们对自己既熟悉又有些陌生的知识学习起来更容易，收获感更强，记忆会更加持久。在高中物理教学中，教师如果能够巧妙地将新的物理概念类比学生熟悉的生活情景或者物理模型，化难为易，可提高课堂效率。本文就核心概念的讲解，浅谈类比法的应用。

一、加速度类比速度

“加速度”的概念对高一的学生而言是一个难点。但是学生对速度这个概念比较熟悉，初中已经讲解过，且学习加速度之前对“速度”这个概念又进行了系统的学习。速度是描述物体运动快慢的物理量，学生已经知道如何比较两个物体运动的快慢：当两个物体运动的位移相等时，比较它们运动所需的时间，用时少的物体运动得快;当两个物体运动的时间相同时，比较它们的位移，位移大的物体运动得快;当两个物体的运动时间和位移均不相等时，我们可以通过比较单位时间内物体通过的位移，来判断运动的快慢，从而引出“速度”这个概念。

在讲加速度的概念时，我们可以先帮助学生回顾速度的概念是如何提出来的，再引导学生思考：怎样比较两个物体速度变化的快慢？学生自然而然就可以想到：当两个物体的速度变化量相等时，比较发生这一变化所用的時间，用时少的物体速度变化快;当两个物体速度变化所用时间相同时，可比较它们的速度变化量，速度变化量大的物体速度变化快。教师可趁机追问学生：做变速运动的两个物体的速度变化量和时间均不相等时，该怎样比较其速度变化的快慢呢？学生很容易提出类比速度的概念，提出比较速度变化快慢的方法：比较单位时间内物体速度变化的快慢，即用速度变化量除以发生这一变化所用的时间。如此就顺理成章地得到了“加速度”的概念，这样的讲解方式，有助于学生理解加速度的物理意义——描述物体速度变化快慢的物理量，也更容易区分“速度变化量大”“速度变化大”“加速度大”这几个物理术语，表示的是不同的物理意义。

二、电场类比重力场

静电场这一块知识是高中物理的重点和难点所在，对学生理解能力的挑战比较大。我们可以通过引导学生联系学过的重力相关的知识，帮助学生建立起电场的概念。比如，地球是产生重力场的原因，放在地球附近的物体都会受到它的影响，即受到重力。重力做功与路径无关，只和物体所处的初末位置有关。当物体所处的位置升高，重力就对物体做负功，物体的重力势能增大，其他形式的能量转化为重力势能。在电场中也有相似的物理情景。电荷是产生电场的原因，放在它附近的带电体都会受到电场的影响，即受到电场力。电场力做功与路径无关，只和带电体在电场中所处的位置有关。移动带电体在电场中的位置时，若电场力做负功，则电势能增大，其他形式的能量转化为电势能。

电势差可类比高度差。基于重力势能的学习，学生已经知道，重力势能具有相对性，其大小与所选零势能面有关。物体在一个位置所具有的重力势能与把它从该位置移动到零势能面重力所做的功相等。在同一个高度（同一水平面）上移动物体，重力不做功。同样的，在静电场中也有相似的结论。电势能也具有相对性。带电体在某点所具有的电势能与所选的电势零点有关，其大小等于把带电体移动到零势能面电场力所做的功。在等势面上移动带电体，电场力不做功。通过这样的类比，教师可引导学生思考、总结，得出结论：电势差可类比高度差，电势可类比高度。高度与电势都是相对的，与选择的参考面有关。重力场中确定的两点之间的高度差以及电场中确定的两点之间的电势差都是绝对的，不会随参考面的改变而改变。

在教学过程中，我们要有意识地引导学生把新的概念融合进自己已有的知识储备中，通过类比、对比旧的知识，来加工处理新的复杂概念。通过这样的教学方法，学生的创造性思维会得到开发，有利于从本质上掌握物理规律之间的关系。

三、库仑定律类比万有引力定律

电荷属于微观世界的物质，学生会觉得比较抽象，看不到、摸不着，但是在学习电荷间相互作用之前，学生已经学习过万有引力定律。我们可以启发学生联系万有引力相关的知识，进行类比分析、理解记忆，帮助学生理解这部分知识。万有引力定律是牛顿发现的适合宏观世界的一条普适的规律：自然界任何两个物体之间都存在相互吸引的力，其大小与物体质量乘积成正比，与两物体之间距离的平方成反比。在宏观世界中质量是物体的一种固有属性，是不能被忽略的，但在某种情况下物体的形状和大小是可以被忽略的。质点（只有质量没有形状的点）这一理想模型的提出是为了更加简洁地描述物体的运动。从严格意义上说，万有引力只适应于两个物体可被视为质点的情况。两个物体之间的引力指向两物体中心的连线方向。卡文迪许的“扭称实验”利用杠杆和放大法测出了引力常量。

在静电场的世界也有同样非常相似的结论——库仑定律。库仑定律描述的是电荷和电荷之间的相互作用，两个电荷之间存在引力（异种电荷）或者斥力（同种电荷），其大小与两个电荷的电荷量的乘积成正比，与两电荷之间的距离的平方成反比。在微观世界，研究电荷间相互作用时，电荷量是带电体的一种属性，是不可忽略的，但是其大小和形状在某种情况下可以被忽略。点电荷（只有电荷量没有形状的点）这个理想模型的提出是为了方便描述受力，这和宏观世界质点的模型正好对应起来。严格意义上说，库仑定律只适应于点电荷的情况。两个点电荷之间的排斥力或者吸引力指向它们的连线方向或者其连线的反方向。库仑定律中的静电常量是通过库仑扭称测出来的，也利用到了杠杆和放大法。

通过这样的对比、类比和分析方法，可以引导学生欣赏自然科学定律的简洁形式，让学生感受自然规律对称的艺术和神奇，也引导学生思考怎样研究物理规律，我们可以根据已有的知识，大胆地提出假设，严格论证，不断探索新的知识，这也是培养学生科学思维的一种方式。至于为什么万有引力和电荷间相互作用会有如此相似的形式，现在科学家还给不出解释，会不会真的存在爱因斯坦所思考的“大一统”理论，这些都可以作为启发学生思考的思路，引导学生去探寻物理学更加本质的规律。

四、恒定电场类比水流

学生在学习恒定电场时对电学已经有初步的认识，但是不够系统、不够深刻。在这一部分的讲解中，我们可以引导学生将恒定电场和水流进行比较，深入浅出地进行讲解。在自然情况下，水流可以自发地从水位高的A水池流向水位低的B水池。但是随着水的流动，两个池子的水面相平时就不会有水流继续流动。如果想让水源源不断地从A池流向B池，就需要利用电动机把已经流向B池的水抽到A池中，使A、B两个池子维持一定的水位差。同样地，电流也能自发地从电势高的地方流向低电势的地方，即在外电路中电流是从正极流向负极的，即电子可自发地从负极移向正极。但是随着电流从正极往负极的流入，正负极之间的电势差会逐渐减小直至电势相等，电路中不再有电流。要使电路中始终有电流，就需要一个类似于电动机的装置，把已经到了负极的电流再次运到正极，即将电子从正极搬运到负极，这个装置就是电源。所以电源的作用就呼之欲出了——运输电子，使正负极之间就会有稳定的电势差，保证电路中有源源不断的电流。从这样类比的角度，学生能够更加深刻地理解什么是电源以及电源在电路中的作用。

在学习串联电路和并联电路的时候，我们依然引导学生将电流类比成水流。二者的相似之处在于：串联电路的电流流经途径是唯一的，所以电路中电流是处处相等的;在水路中如果水只能通过一条水管，那么在水管里的任何地方，流过的水量都是相等的。并联电路中的干路与支路的關系类似于水流中总管道与分支管道之间的关系。在水路中总管道的水流量等于各个分支路的水流量之和，在并联电路中干路的电流等于各个支路的电流之和。

学习是一个循序渐进的过程，在这个过程中，学生不断地整合新旧知识逐步形成自己的认知观。在教学过程中，我们需要立足学情，站在学生的角度，引导学生在已有的知识中生长出新的知识。我们需要引导学生学会从已有的规律中发现新的规律，并用自己的方式理解它，最终获得掌握解码新知识的能力，去探索未知的领域，这应该就是我们物理教学的终极目标，也是教育根本的意义所在。

参考文献：

[1]万维钢.高手精英的见识和我们的时代[M].北京：电子工业出版社，2017-09.

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[3]吴玖阳.类比法在高中物理中的应用[J].物理通报，2018（5）.