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一、类比
类比性研究在物理学发展过程中曾经起到过重要作用.例如,将原子与太阳类比,得到原子结构的行星模型假设;将微观粒子与正、负电子,提出正、反粒子假设;将电荷间作用力与万有引力定律类比,提出库仑力的平方反比规律假设.
例1 地面上的自由落体运动与月亮绕地旋转迥然不同,这一差异曾经被认为是“天上”、“人间”物体的运动应遵循不同规律的例证.牛顿不以为然,经过深入的理论研究并结合有关数据(如地球半径、月地距离、月亮运行周期等等),终于证明这些都是引力与距离平方成反比的结果,并进而推广到宇宙万物,建立了万有引力定律.
例2 早在库仑定律之前,带电金属空腔对腔内电荷无作用力现象的发现,及其与均匀物质球壳对壳内物质无作用力现象的类比,使人们首次猜测电力与引力一样,也应于距离平方成反比,正是基于这一猜测,卡文迪许与麦克斯韦一起建立了精确检验电力距离平方反比律的理论,设计了相应的实验并作了测量.他们的方法一直沿用至今,使电力距离平方反比律成为当今物理学中最精确实验定律之一.
例3 1923年德布罗意把实物粒子与光类比.当时已经认识到光具有波动性和粒子性,光波波长 和光子动量p的关系是 ,式中h是普朗克常量,此即著名的爱因斯坦公式,它揭示了光双重性质之间的联系.通过类比,德布罗意认为,实物粒子也应该具有波动性,其德布罗意波长为 ,式中mv是粒子的动量.根据这一推测,德布罗意预言,应该中等速度的电子的波长相当于x射线波段的波长,1927年戴维逊与革末实验证实了这一预言.德布罗意假说成为物理学史运用类比获得惊人成就的著名实例.此后,薛定谔又作出进一步的类比,他根据几何光学是波动光学的近似,通过类比,推测经典力学也可能是一种波动力学的近似,并由此建立了波动力学,成为量子力学的奠基人之一.
例4 1697年,J.伯努利在探求匀强重力场中最速下降路线时,发现其中的最速性与光行进中所取路径经历时间最多性在数学上是相似的.因此他将所求的最速下降路线类比于光在折射率沿某一方向连续变化的介质中在所取路线,后者运用光的折射定律很容易找到,于是匀强重力场中最速下降路线的问题获得了解决.
鉴于类比方法在物理研究中的重要性,下面拟就解题过程中运用类比方法举几个实例. 类比是一种非逻辑思维的方法,在物理学发展和物理教学中发挥着不可替代的重要作用,本文精选若干个物理学经典史料和若干道类比法破解的难题,从而寻找类比法解决物理问题的一般规律,指出了类比法解决物理问题的局限性.
一、类比性解题
例1 数学形式类比
原来属于不同类型的问题,只要对应量遵守的规律具有相同的数学形式,就可以把一类问题的解题方法移植到另一类问题中,这属于数学形式上的类比.
以上几例表明,类比不仅有助于阐述,更重要的是,只有善于运用类比这种创造性思维的人,才能通过表明或形式的相似或差异,觉察和领悟问题本身提供的暗示和启发,作出猜想,并进一步追根寻源,揭示事物的本质,发现重大的规律、破解问题的关键.类比不同于逻辑推理和论证,类比的本质是猜测或推测,类比提供的只是可能性和假设而不是结论,因而类比不仅不能取代理论分析和实验研究,而且需要后者来检验和核实,以决定猜测的弃取或修正.由于类比往往是在两类截然不同甚至于“风马牛不相及”的对象之间进行的,类比对象和方法的选择,类比结果的评价等又都没有一成不变的模式或规矩可循,因此类比是相当困难的.科学的类比是以广博的知识、扎实的功力为躯体,以开阔的视野、丰富的想象力为翅膀的.或许,自然界的奥秘只对勤奋、博学、想象力丰富的人才情有独钟.
应当强调:不同事物之间的相似往往是形式的、局部的、有条件的,不能把这种相似理解为刻板的一一对应,不能只以原有的知识为解释类比的暗示,不能随意推广,更不能把猜想当作结论或事实,否则就要犯严重错误.例如牛顿把光看作微粒流,并把光的折射用一个纯力学过程来类比,就得到了错误的结论.例如长期在物理学天空中飘荡的幽灵“以太”,最初是把光波与弹性波类比,得出的光波赖以传播的无所不在的弹性介质.实际上光波与弹性波的共同点只在于波动特征,而不在于是否需要传播介质以及传播介质应具有什么物理性质.类比的过度扩张常常导致谬误,以太曾经带来数不尽的矛盾和困难,其含义也不断演变.直到爱因斯坦建立狭义相对论,以太才最终退出历史舞台,结束了有关的全部争论.
类比性研究在物理学发展过程中曾经起到过重要作用.例如,将原子与太阳类比,得到原子结构的行星模型假设;将微观粒子与正、负电子,提出正、反粒子假设;将电荷间作用力与万有引力定律类比,提出库仑力的平方反比规律假设.
例1 地面上的自由落体运动与月亮绕地旋转迥然不同,这一差异曾经被认为是“天上”、“人间”物体的运动应遵循不同规律的例证.牛顿不以为然,经过深入的理论研究并结合有关数据(如地球半径、月地距离、月亮运行周期等等),终于证明这些都是引力与距离平方成反比的结果,并进而推广到宇宙万物,建立了万有引力定律.
例2 早在库仑定律之前,带电金属空腔对腔内电荷无作用力现象的发现,及其与均匀物质球壳对壳内物质无作用力现象的类比,使人们首次猜测电力与引力一样,也应于距离平方成反比,正是基于这一猜测,卡文迪许与麦克斯韦一起建立了精确检验电力距离平方反比律的理论,设计了相应的实验并作了测量.他们的方法一直沿用至今,使电力距离平方反比律成为当今物理学中最精确实验定律之一.
例3 1923年德布罗意把实物粒子与光类比.当时已经认识到光具有波动性和粒子性,光波波长 和光子动量p的关系是 ,式中h是普朗克常量,此即著名的爱因斯坦公式,它揭示了光双重性质之间的联系.通过类比,德布罗意认为,实物粒子也应该具有波动性,其德布罗意波长为 ,式中mv是粒子的动量.根据这一推测,德布罗意预言,应该中等速度的电子的波长相当于x射线波段的波长,1927年戴维逊与革末实验证实了这一预言.德布罗意假说成为物理学史运用类比获得惊人成就的著名实例.此后,薛定谔又作出进一步的类比,他根据几何光学是波动光学的近似,通过类比,推测经典力学也可能是一种波动力学的近似,并由此建立了波动力学,成为量子力学的奠基人之一.
例4 1697年,J.伯努利在探求匀强重力场中最速下降路线时,发现其中的最速性与光行进中所取路径经历时间最多性在数学上是相似的.因此他将所求的最速下降路线类比于光在折射率沿某一方向连续变化的介质中在所取路线,后者运用光的折射定律很容易找到,于是匀强重力场中最速下降路线的问题获得了解决.
鉴于类比方法在物理研究中的重要性,下面拟就解题过程中运用类比方法举几个实例. 类比是一种非逻辑思维的方法,在物理学发展和物理教学中发挥着不可替代的重要作用,本文精选若干个物理学经典史料和若干道类比法破解的难题,从而寻找类比法解决物理问题的一般规律,指出了类比法解决物理问题的局限性.
一、类比性解题
例1 数学形式类比
原来属于不同类型的问题,只要对应量遵守的规律具有相同的数学形式,就可以把一类问题的解题方法移植到另一类问题中,这属于数学形式上的类比.
以上几例表明,类比不仅有助于阐述,更重要的是,只有善于运用类比这种创造性思维的人,才能通过表明或形式的相似或差异,觉察和领悟问题本身提供的暗示和启发,作出猜想,并进一步追根寻源,揭示事物的本质,发现重大的规律、破解问题的关键.类比不同于逻辑推理和论证,类比的本质是猜测或推测,类比提供的只是可能性和假设而不是结论,因而类比不仅不能取代理论分析和实验研究,而且需要后者来检验和核实,以决定猜测的弃取或修正.由于类比往往是在两类截然不同甚至于“风马牛不相及”的对象之间进行的,类比对象和方法的选择,类比结果的评价等又都没有一成不变的模式或规矩可循,因此类比是相当困难的.科学的类比是以广博的知识、扎实的功力为躯体,以开阔的视野、丰富的想象力为翅膀的.或许,自然界的奥秘只对勤奋、博学、想象力丰富的人才情有独钟.
应当强调:不同事物之间的相似往往是形式的、局部的、有条件的,不能把这种相似理解为刻板的一一对应,不能只以原有的知识为解释类比的暗示,不能随意推广,更不能把猜想当作结论或事实,否则就要犯严重错误.例如牛顿把光看作微粒流,并把光的折射用一个纯力学过程来类比,就得到了错误的结论.例如长期在物理学天空中飘荡的幽灵“以太”,最初是把光波与弹性波类比,得出的光波赖以传播的无所不在的弹性介质.实际上光波与弹性波的共同点只在于波动特征,而不在于是否需要传播介质以及传播介质应具有什么物理性质.类比的过度扩张常常导致谬误,以太曾经带来数不尽的矛盾和困难,其含义也不断演变.直到爱因斯坦建立狭义相对论,以太才最终退出历史舞台,结束了有关的全部争论.