□賈俐佧

(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031)

物理學(xué)所揭示的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是自然界不同層次的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和諧和統(tǒng)一的反映，物理學(xué)中反復(fù)出現(xiàn)的“相似性”、“對(duì)稱性”就是這種“和諧美”的充分體現(xiàn)。縱觀物理學(xué)的發(fā)展史，從某種意義上來(lái)說(shuō)，是人類不斷追求更大的和諧統(tǒng)一的歷史。

一、某些物理概念的相似性

在物理學(xué)的研究中，為了抓住事物的最本質(zhì)的最主要的因素，忽略次要因素，常常采用“抽象”、“簡(jiǎn)化”等科學(xué)方法，把事物描繪成理想化的物理模型。例如：力學(xué)中的“質(zhì)點(diǎn)”和電學(xué)中的“點(diǎn)電荷”就是兩個(gè)非常相似的概念。當(dāng)物體的大小、形狀可以忽略時(shí)，就把物體看成一個(gè)具有該物體全部質(zhì)量的點(diǎn)，這樣的點(diǎn)叫質(zhì)點(diǎn)；當(dāng)帶電體的大小和形狀對(duì)它們之間相互作用的靜電力的影響可以忽略時(shí)，同樣也可以把帶電體看成一個(gè)具有該帶電體全部帶電量的點(diǎn)——點(diǎn)電荷。重力勢(shì)能與電勢(shì)能又是一對(duì)可以類比的概念。我們知道，物體與地球的重力勢(shì)能是由于物體與地球存在相互的重力而使它們具有的能量，而且重力勢(shì)能是由物體與地球間的相對(duì)位置決定的能量。與此類似，電勢(shì)能也是由于電子間存在相互的斥力和引力而使它們具有的能量，此能量也是由電子間的相對(duì)位置決定的能量。電學(xué)中有電場(chǎng)、電勢(shì)能、電勢(shì)等概念，由于人們的感官不能直接感知它，因此初學(xué)者覺(jué)得比較抽象，難以理解。

重力勢(shì)能

重力做的功等于重力勢(shì)能增量的負(fù)值：WG=mg( h1-h2 )=-(EP1-EP2 )即：重力對(duì)物體做正功(WG>0)重力勢(shì)能減少；重力對(duì)物體做負(fù)功(WG<0)，重力勢(shì)能增加；重力做功與路徑無(wú)關(guān)，只由起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置決定，并等于起點(diǎn)的重力勢(shì)能和終點(diǎn)的重力勢(shì)能之差；重力勢(shì)能的大小與零勢(shì)能點(diǎn)的選取有關(guān)，但重力勢(shì)能差與零勢(shì)能點(diǎn)的選取無(wú)關(guān)；重力勢(shì)能的數(shù)值等于物體從該點(diǎn)移至零勢(shì)能點(diǎn)時(shí)重力所做的功；重力勢(shì)能是屬于物體和地球所共有的。

電勢(shì)能

電場(chǎng)力做的功等于電勢(shì)能增量的負(fù)值：Wab=-(Epa-Epb) 即：電場(chǎng)力對(duì)電荷做正功(Wab>0)電勢(shì)能減少；電場(chǎng)力對(duì)電荷做負(fù)功(Wab<0)電勢(shì)能增加；電場(chǎng)力做功與路徑無(wú)關(guān)，只由起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置決定，并等于起點(diǎn)的電勢(shì)能和終點(diǎn)的電勢(shì)能之差； 電勢(shì)能的大小與零勢(shì)能點(diǎn)的選取有關(guān)，但電勢(shì)能差與零勢(shì)能點(diǎn)的選取無(wú)關(guān)；電勢(shì)能的數(shù)值等于電荷從該點(diǎn)移至零勢(shì)能點(diǎn)時(shí)電場(chǎng)力所做的功；電勢(shì)能是電荷和電場(chǎng)所共有的。請(qǐng)看，在力學(xué)中，當(dāng)分析了重力做功的特點(diǎn)與路徑無(wú)關(guān)后，就引出了重力勢(shì)能的概念；并且重力的功等于重力勢(shì)能的變化，即

WG= EP1-EP2……(1)

同時(shí)還可定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量質(zhì)點(diǎn)在重力場(chǎng)中某點(diǎn)具有的勢(shì)能叫做該點(diǎn)的重力勢(shì)。在電學(xué)中，分析靜電場(chǎng)力做功的特點(diǎn)也是與路徑無(wú)關(guān)，故類似地引入電勢(shì)能的概念；靜電場(chǎng)力做的功也等于電勢(shì)能的變化，即：

WAB= EPA- EPB……(2)

同樣可定義：?jiǎn)挝徽姾稍陔妶?chǎng)中某點(diǎn)的電勢(shì)能叫該點(diǎn)的電勢(shì)，即：

為什么靜電場(chǎng)中電場(chǎng)力做功的特點(diǎn)，電場(chǎng)力的功與電勢(shì)能的變化之間的關(guān)系、電勢(shì)能、電勢(shì)等內(nèi)容與重力場(chǎng)中重力做功的特點(diǎn)、重力功和重力勢(shì)能變化的關(guān)系、重力勢(shì)能、重力勢(shì)這樣對(duì)應(yīng)相似呢？因?yàn)檫@兩種場(chǎng)都是保守場(chǎng)，在做功和勢(shì)能的性質(zhì)上表現(xiàn)出和諧和統(tǒng)一。

又如：在靜電場(chǎng)中給出了電場(chǎng)強(qiáng)度的定義式為：

而在磁場(chǎng)中給出磁感應(yīng)強(qiáng)度定義式是

或者用運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受的力來(lái)定義，把磁感應(yīng)強(qiáng)度寫成

比較(4)、(5)、(6)三式不難看出E和B這兩個(gè)物理量不僅定義式相似，而且所表達(dá)的物理意義也相似：二者都是從電荷(靜止或運(yùn)動(dòng)的)在電場(chǎng)(或磁場(chǎng))中受力的特性來(lái)描述場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的強(qiáng)弱和方向，并且場(chǎng)的強(qiáng)弱都是只與場(chǎng)本身有關(guān)，與電荷的電量、速度(或電流的大小導(dǎo)線的長(zhǎng)度)等因素?zé)o關(guān)。

其次，二者都可用相似的表達(dá)式求電場(chǎng)力或磁場(chǎng)力，即

F=Eq……(7)

F=BIL……(8)

磁的本質(zhì)和起源是什么？事實(shí)是：磁極和電流都能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)；通電螺線管和條形磁鐵的磁場(chǎng)是那樣相似。而電流的磁場(chǎng)是由于電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，人們有理由要問(wèn)：磁鐵的磁場(chǎng)是否也是由于電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的呢？安培正是通過(guò)比較磁鐵和電流的磁場(chǎng)的相似性，提出了著名的分子電流假設(shè)，從而成功地揭示了磁現(xiàn)象的電本質(zhì)。

二、剛體力學(xué)與質(zhì)點(diǎn)力學(xué)中的對(duì)稱性

質(zhì)點(diǎn)力學(xué)中大量的基本概念和基本規(guī)律在剛體力學(xué)中幾乎都能對(duì)稱地得到印證，從定義方法、研究?jī)?nèi)容和公式形式都是非常相似的，所有這些看了下表就會(huì)不言自明了。

三、物理學(xué)中的平方反比率是相似性原則的深刻反映

從物理學(xué)的發(fā)展史不難看出平方反比關(guān)系在物理學(xué)中的重要意義。我們看到，萬(wàn)有引力定律

首先在力學(xué)中確定，而在電學(xué)的研究中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，從與萬(wàn)有引力定律的類比中德國(guó)學(xué)者普利斯特利首先提出了卓越的猜測(cè)：“我們可認(rèn)為電的吸引力遵從與萬(wàn)有引力相同的規(guī)律，即與距離的平方類似的規(guī)律呢？……”。此后英國(guó)物理學(xué)家卡文迪許進(jìn)一步提出報(bào)告說(shuō)：“電的吸引力和排斥力很可能反比于電荷間距離的平方?！?，最終庫(kù)侖從前述結(jié)果進(jìn)一步研究，并直接根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)完整地得出了庫(kù)侖定律

(9)、(10)給我們的啟示是：如果客觀事物是對(duì)稱的，我們用歸納、演繹或分析的方法認(rèn)識(shí)了對(duì)稱的一方，就可以用類比、類推的方法推測(cè)對(duì)稱的另一方。為什么在力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)知識(shí)中會(huì)出現(xiàn)這樣驚人的相似規(guī)律呢？這是由于我們面臨的世界是一個(gè)相似的世界，一切宏觀、微觀、生命的和非生命的物質(zhì)或過(guò)程都存在某種相似性，這種相似性揭示了各種物質(zhì)之間或過(guò)程之間的共同規(guī)律，顯示出它們之間的和諧和統(tǒng)一，而物理學(xué)又把不同物質(zhì)之間、不同過(guò)程之間的相似性抽象成為相似的數(shù)學(xué)表達(dá)式?？梢?jiàn)物理學(xué)中一再出現(xiàn)的平方反比律并不是偶然的，不是人為的臆造，它是自然界客觀規(guī)律性的深刻反映。

四、運(yùn)用和諧原理進(jìn)行物理教學(xué)的意義

盡管物理教學(xué)作為一種教學(xué)活動(dòng)有許多自身的教學(xué)規(guī)律需要遵守，但物理教師在把握物理知識(shí)時(shí)，對(duì)貫穿在整個(gè)物理學(xué)中的對(duì)稱性原則、相似性原則應(yīng)有一定的認(rèn)識(shí)。而對(duì)物理學(xué)的發(fā)展進(jìn)程，不難看出，對(duì)稱性、相似性原則為科學(xué)發(fā)現(xiàn)和預(yù)見(jiàn)提供了重要的方法論原則，是認(rèn)識(shí)和探索新事物的“橋梁”。教師可把對(duì)稱性、相似性原則有意識(shí)地運(yùn)用到教學(xué)中去，從新概念、新規(guī)律的引入到規(guī)律的論證和應(yīng)用，可運(yùn)用類比法、模擬法教學(xué)，這樣不僅使學(xué)生對(duì)新學(xué)的知識(shí)易于接受，理解深刻，使他們認(rèn)識(shí)到物理學(xué)知識(shí)是有規(guī)律可循的，提高了學(xué)習(xí)的興趣，改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，從而能更有效地引導(dǎo)他們?nèi)フ莆昭芯课锢韺W(xué)的科學(xué)方法和物理學(xué)知識(shí)；而且在認(rèn)識(shí)物理規(guī)律的同時(shí)受到了“和諧美”的熏陶，也激發(fā)了他們?nèi)ヌ剿髯非笮轮R(shí)領(lǐng)域的熱情，為造就一代有創(chuàng)造人材打下了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊宏志.培養(yǎng)學(xué)生物理課堂中的問(wèn)題意識(shí)[J].山西廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，(3).