巧用类比法解答物理问题

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  在讲授静电场时,我采用了类比的方法,将高中物理较繁琐的一章的难度降下来,巧妙地化繁为简.第一节课,我对学生归纳、总结:在高一学年,学习运动的描述、匀变速直线运动的研究、相互作用、牛顿运动定律、曲线运动、万有引力与航天、机械能守恒定律共七章.其实,这七章是从重力场的角度,诠释物体运动的有关力、功、能的相互之间的关系、规律以及规律的运用.
  在“静电场”中每一个物理量、公式、规律,都能在“重力场”中找到它的影子.学习物理,巧妙地应用类比法,会事半功倍.
  一、“静电场”类比于“重力场”
  什么样的物体会产生重力场?重力场对哪些物体施加力和能的作用?
  有质量的物体就会产生重力场(万有引力).重力场对有质量的物体才会施加力和能的作用.
  那么,什么样的物体会产生静电场?静电场对哪些物体有作用?
  学生很容易想到:带电的物体会产生电场,静止的带电物体产生静电场,静电场对带电的物体有力和能的作用.
  要格外强调,地球上每一个有质量的物体都会产生重力场,但由于质量太小,故而场对其他有质量的物体施加的力、引起的能量的变化可以忽略.在地球上,主要考虑地球,这个有6×1026 kg大物体的重力场的力和能的作用
  二、电荷类比于质量
  在重力场中,说物体拥有多大的质量,在静电场中,说带电体带了多少电荷.
  但电荷有正负,故而,在静电场中,解决问题时,确定研究对象,显得尤为重要.要确定研究对象到底是正电荷还是负电荷.这也是静电场较之重力场繁难的原因之一.
  抛砖引玉,有了如上的“引课”,对于这一章繁难的知识点,学生会自然而然地应用类比方法来独立完成.
  库仑定律类比于万有引力定律,等势面类比于等高线,点电荷与质点,这些内容迎刃而解.
  三、电场强度E与重力加速度g
  “E”描述电场力的性质,F=Eq,“g”描述重力场的性质,G=mg,由这样的类比,使学生很轻松地意识到E是矢量,有大小,有方向,遵循平行四边形定则.而且,“E”就像“g”由重力场本身决定一样,也由电场本身决定,与引入的试探电荷“q”无关.
  通过类比,使学生明晰E=F/q,仅是定义式,E与F、q无关,由电场本身决定.
  四、电势能与重力势能
  在有了重力势能变化量与重力做功的关系,重力做功的特征,这些重力场的知识;学生掌握电势能变化量与电场力做功的关系,电场力做功的特征,该是多么的轻松!
  五、“机械能守恒”类比“机械能+电势能”守恒
  ΔEP重=-W重,ΔEP弹=-W弹,ΔEP电=-W电.
  是何其的相似,以至于,当我引至此,学生迫不及待地将“机械能守恒定律”内容延伸成“机械能+电势能”守恒的内容.呼之欲出的是相对应的功能关系.“机械能的改变量等于除了系统内重力和弹簧弹力以外的其他力做功的代数和”,“机械能+电势能的改变量等于系统内除了电场力、重力和弹簧弹力以外的其他力做功的代数和”.
  六、复合场中的竖直面内的圆周运动与重力场中的竖直面内的圆周运动
  对于大多数同学而言,这是一个难于上青天的知识点,可有了重力场中的场力是重力,加速度是g,g=G/m.学生很容易得出复合场中的场力是重力与电场力的合力F场(矢量和),等效重力加速度是 g′.
  那么,对于进一步探讨,复合场中,带电体竖直面内的圆周运动,最难到达的那一点到底在哪里的问题,就给了学生一定的思考方向.经过类比:重力场中,竖直面内,物体圆周运动最难到达的最高点,在重力方向反向延伸,与轨迹圆的交点;复合场中,带电体在竖直面内的圆周运动最难到达的那一点,在F场的方向反向延长线交于圆轨迹的那一点.
  由于F场的方向由mg与F电矢量合成决定,故而,方向并不唯一确定,这就使得复合场中,带电体最难到达的那一点并不总是视觉上的最高点,甚至于会是视觉上的低点.
  巧妙地应用“类比”法,这看似不可思议的事情,学生理解起来,却是水到渠成,以致于在所谓的“最高点”处速度应该有v=g′l,g′=F场/m也轻而易举地推导出来.
  “类比”带领学生敲开了静电场的沉重的大门,走进静电场,到处都是“似曾相识燕归来”的新事物,.
  黑龙江省双城市兆麟中学 (150100 )
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