类比法在中学物理教学中的应用

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  中图分类号:G633.7文献标识码:A 文章编号: 1673-1875(2008)09-067-01
  
  一、用类比法说明物理公式适用范围
  
   物理知识中,学生最熟悉的公式就是速度公式v=s/t(或v=△s/△t),同时也知道平均速度公式v=s/t( 或v=△s/△t ),把它们合起来看:v=s/t(v=△s/△t)这条公式既可以求运动物体的匀速度,也可以求平均速度。只是说法有“匀速运动物体的速度”与“变速度运动物体在某段时间(或位移)内的平均速度”之区别而已。
  在物理公式中有很多是与v=s/t(或v=△s/△t)相似的。若我们把这些公式与v=s/t类比,就容易理解,掌握它们的适用范围。如公式p=w/t与v=s/t类比就可以知道:p=w/t公式既可以成物体(机器)均匀做功时的恒定功率,也可以求物体(机器)在非均匀做功时的平均功率.物理意义上也加以类比,恒定功率说成“均匀做功物体的功率”,平均功率说成“非均匀做功物体在某段时间(或位移)内的平均功率”。通过类比还可以知道,公式F=(mVt-mVo)/t,既可以求物体所受恒力大小,也可以求物体变力作用时的平均力。公式ε=△Φ/△t用以求磁通量非均匀变化的平均电动势,公式I=Q/t求平均电流,用a=(Vt-Vo)/t示非匀加速运动的平均加速度,等等,用类比法去认识公式适用范围,避免了生硬地说明公式怎样用法,也避免了一些繁杂的理论证明。
  
  二、用类比法去理解抽象物理量的物理意义
  
  中学课本中法拉第电磁感应定律ε=△Φ/△t 所表示的物理意义,学生是很难全面回答出来,因没有形,在实验中又难于观测出来。若用类比法,与v=△s/△t 进行类比,ε=△Φ/△t 的物理意义就很容易理解了,在此列出几点:
  1.速度是状态量,即描述运动物体在某时刻(位置)所处的运动状态的物理量,与之类比。电动势也是一个状态量,表示电磁感应中某一时刻把其他形式的能转变成电能的本领。
  2.位置均匀变化时,△S (或S)是时间t的一次函数时,V是恒量,即物体是匀速运动。与之类比,若回路中磁通量是均匀变化时,即△Φ(或Φ)是时间t 的一次函数时,Φ为恒量,即产生了稳恒的电动势。
  3.位置非均匀变化时,速度是变化的,用v=△s/△t 求出的是平均速度。与之类比,回路的磁通量非均匀变化时,产生的感应电动势是变化的,用ε=△Φ/△t 求出的电动势是平均电动势。
  4.在变速运动中,V= lim△s/△t表示物体在某时刻(位置)的即时速度,与之类比,在回路的磁通量发生非均匀变化时,ε=lim△Φ/△t表示回路中某时刻的即时电动势(瞬时电动势)。
  通过上面类比法的例子,把本来课本没有提到的平均电动势、瞬时电动势很自然地引导出来,对学生认识两者概念,无疑是一条捷径。
  
  三、利用类比法把抽象的问题直观化
  
  问题:MM、NN为两根光滑的金属导轨(足够长),两根导轨间有垂直向里的磁场,ab质量为m1,cd 质量为m2 放在导轨上的两根金属棒,开始时,金属棒ab 初速度V1速度向左运动,cd以初速度V2的速度向右运动,V2>V1,这两根金属棒最后运动状态是怎样的?
  从题目分析,绝大部分学生不知道根据什么定律公式去求解。因为题目是为提高学生解题能力而设置的,所述现象很难涉及到实际应用;而且,题目虽然表达比较“直观”,但它们的运动过程是比较“抽象”的。如若经过简单分析后,再用类比法,就不难解出结果了。我们以磁场方向垂直板面向里,两个导轨位置分别在上下两端,两根导体在竖直方向分为左右两侧,简述这个解题过程:
  1.学生根据ab、cd的初运动状态,得出回路产生感应电流方向a→c→d→b→a;
  2.学生还可以根据ab、cd棒的电流方向判断出它们的受力方向,向右和向左,并F1=-F2;
  3.再深入地分析,若ab、cd棒与MM`、NN`转成的面积不增不减时,回路中没有电流,棒不再受力作用,ab、cd棒一定是以共同速度运动。
  上述三个问题对学生来说不是难点,难的是运动以后的状态,若我们把这个问题与碰撞加以类比,学生就能理解到:
  1.两棒所受的力是大小相等,方向相反,同时出现,同时消失作用在不同物体上的作用力与反作用力可类比为碰撞时两个物体所受的作用与与反作用力,两棒的运动过程可类比为碰撞过程。
  2.由于电路中的电流产生热效应,把系统中的功能一部分转化为内能,并最后以共同速度运动,与碰撞类比,它们是“完全弹性碰撞”。
  3.题中把ab、cd棒看成一个系统,除重力、支持力平衡外,再没有受其他外力,与碰撞类比,这个系统动量守恒。
  通过两棒运动过程的一些特征与碰撞类比,就可以把两棒的运动过程,看成是“完全非弹性碰撞”,可用运动量守恒定律解决这个问题。解法如下:取向右方向为正方向,列出动量守恒方程:-m1v1+m2v2=(m1+m2)v,得:v=(m2v2-m1v1)/(m1+m2)。讨论(1)若m1=m2时,即m1v1m2v2时,v方向向左。
  上面相互作用的问题实际上是一种抽象的碰撞问题,只要我们考虑与实际碰撞去类比,就会将抽象的碰撞变成直观的碰撞了。
  总之,类比法为学生认识和掌握新体制概念、新规律,把抽象的问题直观化提供了一条捷径,类比法应用在物理教学中无疑是一种行之有效的教学方法。
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