类比法在高中物理教学中的应用

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  类比法是通过两个或两类研究对象进行比较,找出它们之间相同点和相似点,并以此为根据把其中某一个或某一类对象的有关知识和结论,推移到另一个或另一类对象上,从而推论出它们也可能有相同或相似的结论的一种逻辑推理和研究方法.应用类比法的基本过程是:首先通过联想,把异常的、未知的事物(研究对象)对比寻常的、熟悉的事物(类比对象),然后再依据两个对象之间存在着的某种类似或相似的关系,进行推论.很显然类比的思维过程并非论证,其结论的正确与否,必须由实验来检验.类比对象间共有的属性越多,则类比结论的可靠性就越大.物理学史上,类比被誉为科学活动中的“伟大的引路人”,在很多关键时刻,科学家巧妙地运用了类比推理,提出科学假说,从而获得巨大成功.如法拉第了解到奥斯特发现电流能产生磁场后,就很自然地进行了逆向思考和对称类比推理,通过探索、研究、实验,终于发现磁场中获得电流的方法,使电磁学得到突飞猛进的发展.德布罗意根据光的波粒二象性类比提出:实物粒子也具有波动性的假设,后来被大量实验所证实.在高中物理教学过程中,我们经常会发现某些不同问题在一定的范围内具有很多相似性,其中包括数学表达式的相似性、物理模型的相似性,物理规律性质的相似性等等,如果我们能在教学中合理运用类比法进行知识迁移,发现和探索知识点之间的相似性,从而利用已知系统的物理规律去寻找未知系统的物理规律,就可以帮助学生促进知识的形成.运用类比不但可激发学生探索的意向,引导学生进行探索,使学习成为学生自觉积极的活动,发展学生的思维能力,而且会对教学产生事半功倍的效果.因此类比在高中物理教学中有广泛的应用.
  1利用类比促进新的物理概念的引入,形成新知
  进入高中后,物理教学便从初中的形象思维向高中的抽象思维领域过渡,其知识性、逻辑性、抽象性和应用性都大大加强.虽然物理是以实验为基础,给人的感觉好象是比较客观实在,但是物理的理论(概念、定义、定律、规律等)都是对实验、事物实体等经过抽象思维和逻辑推理而形成的,学生往往很难以理解和接受.在讲这样的概念时,我们可以用学生比较熟悉的现象、概念去进行类比,相当于在新旧知识间架起了一座桥梁,让学生能够从已掌握的旧知识中顺利地接受和理解新知识,使难点得以突破,同时也巩固了旧知识.例如在引入建立点电荷这个理想化模型时可以让其和已讲过的质点模型进行类比,以加深对理想化模型引入和建立的理解.又如在讲电场、磁场是客观实在的物质,以及其性质时,由于电场、磁场看不见、摸不着无法直接感知,过分的抽象,导致很多学生难以理解.我们可以多跟重力场、引力场进行类比教学.两个有质量的物体不需要接触之间有引力,是通过引力场来传递和实现的如地球周围的物体受到的重力.而电荷之间,磁体之间也不需要接触就能产生力的作用,这样很顺利的就引入了电场、磁场的概念.电场强度的定义式E=F/q中场强E和检验电荷电量q和受力F无关这一点,可以用重力场中的场强——重力加速度g=G/m,及密度公式 =m/V,来类比分析,无需讲解学生一看就明白了.再如分子之间的相互作用力,由于是微观的物理规律,本身不够形象,表现的物理规律又很难理解.可以用一根轻弹簧两端各有一个质点来类比,弹簧的原长相当分子的间距r0,当分子间距大于r0时相当于弹簧长度大于弹簧原长分子间力表现为引力,小于时则相反.介绍电流的概念时可以和水流进行类比便于学生理解和记忆.
  2加深对规律的理解,使知识条理化和系统化
  不同的物理知识之间有许多相同或相似的特征,他们遵守着相同或相似的物理规律.通过类比可以在类比中寻求相同点和不同点,以达到理清相似概念,区分本质区别,加深对规律理解的目的.例如,在讲解电场的性质和规律时通常是和重力场进行类比,电场中的电势差、电势、电场力做功、电势能类比重力场中的高度差、高度、重力做功、重力势能;通过比较学生发现这些概念有相同的,也有区别和不同.如物体高度降低物体的重力势能会减小,但电势减小电荷的电势能却不一定减小,学生对此就有疑惑.对比讲解重力势能、电势能的变化都是由重力和电场力做功唯一决定,但是由于电荷有正、负两种,因此电荷电性不同,经历相同的过程电场力做功也不同,电势能的变化就不同.又如以下相对零散的知识点通过类比可归纳如下:
  电阻的串联R=R1 R2,弹簧的并联k=k1 k2,电容器的并联C=C1 C2.运用类比法把相关的物理知识联系起来,形成知识体系,可以帮助学生理解、记忆、掌握这些相关知识,起到事半功倍的作用,从而提高课堂教学效益.
  3利用类比选用适当的物理规律巧解物理习题
  解决物理问题,就是物理方法和知识的应用过程,故实现“知识迁移”是物理教学的重要组成部分.教学中通过分析待求问题的特征,把它与已知的物理原型进行类比,从而找到方法,解出习题.[TP10GW95.TIF,Y#]例如物理中的这样一道问题:如图1所示,A、B 两点在同一水平面上,且弧长ABR.在 A 点由静止释放一个小球,求小球从 A 点运动到 B 点所用的时间?
  本题中小球只受重力及指向圆心的支持力作用与单摆的摆球只受重力及指向悬点的拉力作用相似;槽对小球的支持力对小球不做功与单摆悬线的拉力对摆球不做功相同!弧长ABR与单摆最大摆角很小相似.由上推知,小球的运动与单摆的摆球运动应遵从相同的规律,故小球从 A 运动 B 的时间应等于单摆振动的半个周期.又如带电粒子以一定的初速度沿垂直于电场线的方向射入静电场中的运动类比物体在重力场中的平抛运动,就可以发现两者可归结为同一物理模型,从而使学生会解决此类问题,同时对这两种场中的运动本质特征的认识有了新的高度.
  综上所述,在物理教学中运用类比方法可引导帮助学生自己获取知识;有助于提出假说,进行推测,有助于提出问题并设想解决问题的方向,类比可激发学生探索的意向,引导学生进行探索,使学习成为学生自觉积极的活动.学生自觉不自觉地逐步掌握和运用类比方法,较好的培养了学生的逻辑思维和创新能力,为以后的终身学习奠定基础.
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