类比法在电磁学及刚体运动中的应用

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  【摘要】教学要适应时代发展的需要,就要重视学生学习方法的培养,要采取恰当的教学模式和手段,多角度、多层次地来培养学生的学习能力和创新能力。
  【关键词】类比法;静电场;质点平动;刚体转动
  一切物质都在不断地运动、变化着,绝对不运动的物体是不存在的。而物理学研究的是物质运动的最基本最普遍的形式,包括机械运动、分子热运动、电磁运动、原子和原子核内的运动等等。随着社会的发展,在与生物学、化学、天文学等学科的相互渗透中,物理学不仅本身得到了迅速发展,同时也推动了其他学科和技术的发展,顺应时代发展的潮流,教学应着眼于造就一大批开拓型、创新型人才,以适应科学发展的需要,而培养学生的创造性思维,有一套系统的学习方法就显得尤为重要。
  一、类比法
  类比法是学习中经常采用的一种方法,它就是人们根据两个对象之间在某些方面的相同或相似,推论出它们在其他方面也可能相同或相似的一种认识事物的思维方法。它能帮助我们从已知事物的有关理论建立假说去说明新事物;用某些已知的属性来说明未知的属性,可以增强说服力,使人们容易理解。类比法不是简单的模仿,而是富有创新性的思维方法。其使用过程是选择两个对象或事物(可以是同类或异类),并对它们某些相同或相似的性质进行对比,从异中求同,或同中见异,从而产生新知,或得到创造性成果。因此类比法是实现创新的其中一种方法,在人们认识世界和改造世界的活动中具有重大意义。在研究问题时,我们经常会发现某些新问题有一种似曾相识的感觉。这个时候类比法就派上了用场,通过研究这种相似性,利用已知的物理规律去寻找未知的物理规律,从而发现新的结论、新的规律,创造出新的理论。许多物理上的重大科学发现,其中包括许多物理定律、公式和推论,都是运用类比法的硕果。
  二、类比法的简单应用举例
  1.静电场类比重力场
  运用类比教学法,既能激发兴趣,同时又进行了科学思维和科学方法的示范,学生遇到新的概念和规律也能作类比分析,逐渐养成好的学习习惯,形成一套系统的学习方法。由于静电场力和重力做功都与路径无关均属于保守力,所以二者对应的场也有很多相似之处。单纯从静电场角度去分析其性质较为复杂而重力场我们早已熟知,所以在分析静电场性质时可以采用类比法,将静电场类比为重力场,详见表1。
  2.库仑定律类比万有引力定律
  任何两个物体间都有相互吸引力,其作用力大小与它们之间距离的二次方成反比,与两物体质量乘积成正比,表达式为F=GMm/r?;1785年法国物理学家库仑用扭秤实验对电荷间的相互作用力进行了定量的研究,总结出真空中库仑定律:在真空中两个静止点电荷间的作用力大小与两点电荷带电量乘积成正比,与它们之间距离的二次方成反比,数学表达式为F=KQq/r?,我们可以发现万有引力定律和真空中库仑定律在形式上非常相似,K和G均为常数,万有引力与库仑力大小均与二者距离二次方成反比。
  3.点电荷类比质点
  物体的运动是复杂的,根据研究的需要,建立一个与实际情况差距不大的“理想模型”是非常必要的,点电荷和质点均是为研究问题方便而引入的抽象的物理模型。如果物体的形状和大小对研究问题影响不大时,可以忽略其大小和形状,用一个有质量的点来代替该物体,将这样的抽象物理模型定义为质点;点电荷概念的引入可以类比质点,点电荷也是一种抽象的物理模型,当带电体的几何形状对研究问题影响不大时,可以忽略其大小形状及电荷分布情况,认为所有电荷都集中在一个点上,将这样的一个抽象物理模型定义为点电荷。
  4.刚体转动类比质点平动
  为研究问题方便在《力学》中引入了两个抽象的物理模型——质点和刚体,由于质点和刚体分别研究的是平动和转动问题,因此,看似没有紧密联系,但二者的运动规律却有及其相似之处,加以比较进行应用学生接收效果会更好。
  平动和转动运动规律对比一览表(详见表2)。
  通过以上列表可以发现二者在形式上极其相似,找到二者异同就可以更好的加以运用,在处理刚体转动问题时类比质点平动的运动规律,就可以准确快速处理相关问题,起到事半功倍的效果。
  5.磁感线类比电场线,磁通量类比电通量
  磁感线和电场线都不是实际存在的曲线,均是为研究问题方便而引入的假象曲线,二者的疏密均代表相应场的强弱,曲线在某点的切线方向代表相应场在该点的强弱;磁通量和电通量也有着非常相似的地方,分别代表穿过某一个面的磁感线条数和电场线条数。
  三、运用类比法教学,建立树形网络知识图
  在教学中,要特别重视在讲授新概念时联系旧知识,建立新旧知识网络,在新旧知识类比中加深理解,开拓思路,对知识网络及时进行梳理,使知识条理化。随着教学的深入学生掌握的知识逐渐形成网络,这里有知识的横向的拓展,也有纵向的知识深入,学生的知识和能力就产生了质的飞跃,学生的创造性思维的发展也就寓于其中了。
  四、结语
  以上几个例子是类比法在教学中的简单应用举例,在其他学科中也可尝试使用此法,会起到事半功倍的效果。因此教学要适应时代发展的需要,就要重视学生学习方法的培养,要采取恰当的教学模式和手段,多角度、多层次地来培养学生的学习能力和创新能力。
  参考文献
  [1]程守诛,江之永.普通物理学[M].高等教育出版社,1997.
  [2]丁俊华.物理(工)[M].辽宁大学出版社,1999.
  [3]夏兆阳.大学物理教程[M].高等教育出版社,2004.
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