溫小玲

(呼和浩特市和林一中，內(nèi)蒙古呼和浩特，011500)

淺談高中物理中的知識類比

溫小玲

(呼和浩特市和林一中，內(nèi)蒙古呼和浩特，011500)

高中物理內(nèi)容加深，知識點(diǎn)增多，尤其有些概念容易混淆。教師在學(xué)習(xí)中如能把這些相似的、容易混淆的概念規(guī)律進(jìn)行類比學(xué)習(xí)，不僅能避免混淆，而且能徹底理解，起到事半功倍的效果。

物理知識；類比；理解；應(yīng)用

物理知識很多概念、規(guī)律、理論是相似的。在教學(xué)中如能發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用于教學(xué)中，能使學(xué)生達(dá)到觸類旁通、舉一反三的效果，提高教學(xué)效率。

一、質(zhì)點(diǎn) 點(diǎn)電荷

二、水流 電流 磁通

在過去的初中物理教材中，關(guān)于電流的教學(xué)中就引用了水流形成的例子。如圖1，A、B兩個(gè)容器底部用管道連接，當(dāng)A中水面高于B中水面時(shí)即可在管道中形成水流。這是因?yàn)閷艿乐械乃畞碚f兩端存在壓力差，即受力不平衡發(fā)生流動(dòng)，當(dāng)隨著水的流動(dòng)兩側(cè)水面高度差逐漸縮小，管中兩側(cè)水柱壓力差逐漸消失，水的流動(dòng)逐漸減弱，最后水面相平壓力差消失，水流停止流動(dòng)。要想保持持續(xù)的水流，需要A、B兩容器中的水有持續(xù)的高度差，這樣管中水柱兩側(cè)就能有持續(xù)的壓力差從而維持持續(xù)的水流。為此，我們可以在圖1裝置中加裝一個(gè)水泵讓其不斷地把水從水面低的一側(cè)抽向高的一側(cè)，讓A、B兩側(cè)保持持續(xù)的高度差從而形成持續(xù)的水流，如圖2。

圖1

圖2

我們再看電流的形成，如圖3，A、B兩導(dǎo)體分別帶有正負(fù)電荷，這時(shí)當(dāng)有導(dǎo)體搭在它們之間的話，導(dǎo)體中即有電流形成，這是因?yàn)锳、B之間存在著電勢差。但隨著電流的流動(dòng)，B中的負(fù)電荷越來越多地跑到A上中和A中的正電荷，它們之間的電勢差逐漸減小，最后消失，電流也逐漸減小最終消失。為了讓導(dǎo)體中有持續(xù)的電流，需要導(dǎo)體兩端A、B有持續(xù)的電勢差存在。為此我們可以在上述圖3裝置中加裝一個(gè)“電泵”，如圖4，讓其不斷地從A中取上負(fù)電荷注入B中，可使A、B兩端保持持續(xù)的電勢差，從而使導(dǎo)體中保持持續(xù)的電流。這個(gè)“電泵”是電源，在它內(nèi)部有非靜力電做功把正電荷從低電勢處推到高電勢處(或把負(fù)電荷從高電勢處推到低電勢處)。這也正是像水泵靠非重力做功把水從低電勢處抬到高處一樣。

圖3

圖4

前面水路裝置中管道是水流的載體，后面電路裝置中導(dǎo)體是電流的載體，前面“水流強(qiáng)度”與管道兩端壓力差(兩端水面高度差)成正比，與管道的“水阻”(對水流的阻礙作用)成反比，這里應(yīng)該有個(gè)水路“歐姆定律”:I水＝U水/R水。電路中導(dǎo)體電流強(qiáng)度與導(dǎo)體兩端電壓成正比與電阻成反比，即歐姆定律。這顯然非常相似。而且導(dǎo)體電阻大小所遵循的電阻定律R＝ρL/S也與水阻大小所遵循的規(guī)律相似，“水阻”與水管長度成正比，與水管橫截面積成反比。

三、電場 磁場 引力場

電場是存在于電荷周圍的一種特殊物質(zhì)，其特性就是對處在其中的電荷有電場力的作用，但同一電場內(nèi)不同位置對同一電荷的作用力不一定相同(即同一電荷在有的位置電場力大，有的位置電場力小，而且方向也有可能不一樣)，這就是說即使是同一電場，其中不同點(diǎn)對電荷施加力的能力也是不同的。為了描述電場的這一性質(zhì)，我們引入電場強(qiáng)度和電場線這兩種手段。

磁場是存在于磁體或通電導(dǎo)線周圍的一種特殊物質(zhì)，其特性就是對處在其中的磁體或通電導(dǎo)線有磁場力的作用，但同一磁場內(nèi)不同位置對同一磁體或同一通電導(dǎo)線(電流強(qiáng)度、導(dǎo)體長度、放置方向均相同)的作用力不一定相同，這就是說即使是同一磁場，其中不同點(diǎn)對磁體或通電導(dǎo)線施加力的能力也是不同的。為了描述磁場的這一性質(zhì)，我們引入電場強(qiáng)度和磁感線兩種手段。

以上看出，電場和磁場的情況是相似的。不僅如此，電場強(qiáng)度和磁感強(qiáng)度，電場線和磁感線的定義及性質(zhì)都很相似。

其實(shí)引力場和電場磁場也很相似，特別是地球表面附近一個(gè)小區(qū)域內(nèi)的引力場(重力場)，是勻強(qiáng)的，這和勻強(qiáng)電場、勻強(qiáng)磁場相似，其重力加速度和勻強(qiáng)電場中的電場強(qiáng)度是很相似的物理量。

四、動(dòng)能定理 動(dòng)量定理

力的作用效果是改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，那么運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變量，不難想到一定與力的大小及力作用過程的長短有關(guān)。而力作用過程的長短可從空間(即位移)和時(shí)間兩方面來描述，這就有了功和沖量的概念:W＝FS和I＝Ft，它們分別是力對空間和時(shí)間的積累，其效果分別是引起動(dòng)能(EK)和動(dòng)量(P)的改變，關(guān)系分別就是動(dòng)能定理(W＝ΔEK)和動(dòng)量定理(I＝ΔP)，這顯然是相似的。不僅如此，這兩個(gè)定理不僅適用于單個(gè)物體也適用于多個(gè)物體組成的系統(tǒng)，那么當(dāng)系統(tǒng)不受外力僅有內(nèi)力作用時(shí)，由于內(nèi)力的沖量和一定是零，因此系統(tǒng)受的總沖量即為零。從而有ΔP＝0，這就是動(dòng)量守恒定律。而系統(tǒng)只有重力和彈力做功沒有其他力做功時(shí)W＝－ΔEP，這就有－ΔEP＝ΔEK亦即ΔEK＋ΔEP＝0，亦即ΔE＝0，這就是機(jī)械能守恒定律。

這兩部分知識是極其相似的，教學(xué)中如果把它們進(jìn)行對比講解，學(xué)生就能從根本上理解和掌握這兩部分知識，達(dá)到融會(huì)貫通的目的。

五、共振 共鳴 諧振

任何物體都有其固有頻率，即自由震蕩時(shí)的頻率。當(dāng)物體作受迫振動(dòng)時(shí)，其周期性外力的頻率等于或接近固有頻率時(shí)，很小的驅(qū)動(dòng)力就能使其產(chǎn)生很大的幅度的振動(dòng)。這就是共振。

在聲學(xué)中，如果發(fā)生器件(如空氣柱)的固有頻率和外來聲音(擾動(dòng))的頻率相同，則產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動(dòng)，發(fā)出很強(qiáng)的聲音，這就是共鳴。其實(shí)也就是共振，只不過在聲學(xué)中稱為共鳴。還有任何LC (并聯(lián)或串聯(lián))回路都有其固有頻率，即做自由電磁振蕩時(shí)的頻率。當(dāng)加在其兩端的交變電壓或流過其中的交變電流的頻率等于其固有頻率時(shí)，產(chǎn)生和機(jī)械振動(dòng)中共振現(xiàn)象非常相似的現(xiàn)象，這里不再贅述。

六、電場力做功 重力做功 彈力做功

在重力場中，當(dāng)物體從低處運(yùn)動(dòng)到高處時(shí)，重力做負(fù)功，重力勢能增加，增加量等于克服重力所做的功；反之當(dāng)物體從高處運(yùn)動(dòng)到低處時(shí)，重力做正功，重力勢能減少，減少量等于重力所做的功。重力做功與運(yùn)動(dòng)路徑無關(guān)，僅與始末位置高度差有關(guān)。在電場中，當(dāng)正電荷從低電勢處運(yùn)動(dòng)到高電勢處時(shí)電場力做負(fù)功，電勢能增加，增加量等于克服電場力所做的功；反之當(dāng)正電荷從高電勢處運(yùn)動(dòng)到低電勢處時(shí)電場力做正功，電勢能減少，減少量等于電場力所做的功。這里不同的是物體質(zhì)量只有正的，而電荷卻有正負(fù)之分。因此負(fù)電荷從低電勢處運(yùn)動(dòng)到高電勢處時(shí)電場力做正功。這里與正電荷的情況正好相反。彈力做功引起彈性勢能變化的情況與之很類似，這里不再贅述。這幾種力做功的特點(diǎn)就是做功多少只與始末位置有關(guān)，與路徑無關(guān)。

以上僅是列舉幾個(gè)例子，其實(shí)物理學(xué)中相似的知識還很多，寫這篇文章僅起拋磚引玉的作用，教學(xué)中可進(jìn)一步挖掘、發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。隨著我們對物理學(xué)的進(jìn)一步深入的學(xué)習(xí)，我們最終能知道它們?yōu)槭裁词窍嗨频?，它們的相似好多不是偶然的，而是必然的?/p>

[1] 教育部.普通高中課程教科書:實(shí)驗(yàn)[M].北京:人民教育出版社，2004.

[2] 教育部.普通高中課程教師教學(xué)用書[M].北京:人民教育出版社，2004.

G633.7

A

2095－3712(2014)12－0078－03

溫小玲，女，本科，呼和浩特市和林一中教師，中學(xué)二級。