类比法在高中物理电磁学复习中的应用研究

吕言怿

【内容摘要】类比又称类比推理，它是依据两个或两类对象有部分属性相同，从而推出他们的其他属性相同的推理方法。类比法的推理方向是从特例到特例，它不同于从特例到一般的归纳法，也不同于从一般到特殊的演绎法，它把归纳法和演绎法简并为一个过程，运用类比推理可以在两个不同的知识领域之间进行知识的过渡。类比法是科学研究中常用的方法之一，它在高中物理电磁学复习中也有着广泛的应用。

【关键词】类比法 高中物理 电磁学复习

引言

类比法是中学物理中最具探索性和最富有创造性的一种思维方法，在科学探索中，类比法的价值为世界上许多科学家所称道。开普勒说：“我珍视类比胜于任何别的东西，它是我最可信赖的老师，它能揭示自然界的秘密。”运用物理类比思维可以把陌生的对象和熟悉的对象进行对比，把未知的东西和已知的东西相对比，把抽象的东西和形象的东西进行类比，它可以使知识条理化，把抽象的知识形象化，把复杂的问题简单化。

一、类比思维的意义

类比思维主要是在日常的学习过程中，使用类比推理的逻辑思维方式，经过抽象的方式解释新学习的事物，在学习的过程可以使用这种方式举一反三，有效的学习一件事物的本质，同时，可以经过对比彼此之间的关键性，分析出未知事物的性质。在采用这种方式进行学习的时候，必须要联系已经学习的事物，通过类比法对未知的事物进行判断。类比思维具有一定的创造性，需要一定的创新能力作为支撑。类比法是一种抽象的思考方式，它需要采用抽象的方式将具体化的事物形象的表示出来，将两个看似没有任何关系的事物联系在一起，寻找两个事物的相似处，以便于探索未知的领域。

二、类比复习教学存在的不足与注意事项

在采用类比的方式进行学习的过程中，存在一定的问题，大部分的学者对其进行了分析。例如天津市教育科学院的曹瑞，他在研究类比学习法的过程中发现，类比法具有一定的高效性，但也存在一定的问题。曹瑞将其研究写进《类比教学法的初探》中，其中指出在采用类比法进行学习的过程中，应该注意以下三点：

（1）学习的过程中，类比法的使用要适当；（2）教学过程中使用类比法要先考虑好学生的年龄；（3）类比教学的次数要适量。

兰州大学的王萍硕士曾在其学术论文《类比思维在化学教学中的应用》中对教学中使用类比法的注意事项进行了分析：（1）类比思维具有一定的或然性。在前面的文章中已经提到类比法的教学方式存在一定的或然性，类比之后的结果不一定具有科学性，产生或然性的主要原因是因为类比的两个事物不仅具有一定的相关性，还具有一定的差异性，所以，在使用类比法进行学习的过程中，还应该注意两个事物之间的差异性；（2）类比法具有多样性。类比法在一定程度上具有极强的创造性，在学习同一个知识点的时候，可以建立多个类比关系，为此，在学习的过程中，不仅需要使用类比法对书本的事物进行分析，还需要对教材以外的知识点进行类比学习；（3）在使用类比法进行学习的时候，类比法具有一定的适用性；（4）学习类比法的时候需要一定的主动性。类比法是一种具有科学性的学习方式，在使用类比法进行学习的过程中，不仅可以建立完善的知识结构体系，还可以加深多已經学习到知识的印象，可以有效地提升学习的效率。

三、高中物理电碰学知识内容及特点

人教版高中物理教材的电感学部分由《静电场》、《恒定电流》、《磁场》和《电溢感应》四章内容组成。我们在进行电磁学内容的学习之前，所学习的直线运动、受力分析、曲线运动以及功和能都是在宏观物理世界下进行的，《静电场》章节以介绍电荷及其守恒定律作为开端，将同学们带入微观物理世界。在认识电荷之后，《静电场》章节接下来便是对库仑定律和电场强度这两个非常重要的内容的学习。同学们在以往的初中阶段学习关于电学的内容都是比较宏观的认知，接触微观电学的知识刚开始会让学生觉得比较难以接受，尤其是完全看不见摸不着的电场疆度这个概念更是让学生感觉到困难。之后对于电势、电势能、电势差以及电势差与电场力度关系的学习就更让学生感觉到混乱了，很多同学学习了这部分知识就只是单单记住了概念和公式，并不能真正理解各个概念以及概念之间的关系。《静电场》章节接下来的内容则是关于静电场中的一些现象的理解，包括静电现象的应用和电容器，以及带电粒子在电场中的运动，其中带电粒子在电场中巧运动是整个《静电场》章节最重要的内容，在以往的复习中也了解到高考物理中每年都会对这个知识进行考察。

四、应用

1.概念和物理量的类比

（1）静止电荷之间的相互作用使经过电场来实现的。在日常生活中，电场既看不见又摸不到，但是电场是真实存在的，并对处在电场中的电荷q具有一定的影响，为了了解电场的强弱，可以使用计算电场强度的公式E= ，公式中E表示电场的强度，主要与电场原、电场的位置以及电场周围的环境有关，与测试的电荷q没有直接的关系。同样，磁极之间、电流之间也是通过一种介质来相互影响的，这种介质就是磁场。磁场与电场一样看不见摸不到，但是对于处在磁场的电荷q有着较强的影响，为了了解磁场的强弱，我们使用B表示磁场的强弱，可以使用计算电场强度的公式B= ，主要的方向为探测电荷的零力线方向。经过实验发现，磁场的强弱B与产生磁场的电流、磁场的位置、磁场周围的环境有关，与实验的电q以及电荷的运动速度v没有关系。这就可以表明电场与磁场之间的概念具有一定的相关性。（2）电场线并不是真实存在的，为了可以有效地了解、描述电场，引入了电场线，电场线的疏密程度真是的反应了电场的强弱，电场线某一点的切线方向就是电场线的方向，同样，为了更好地表示磁场的强弱也引入了磁感线，磁感线的疏密程度真是的反应了磁场的强弱，磁感线某一点的切线方向就是这个点磁场的方向。电场、磁场中有很多物理量都可以使用类比的方式进行学习。比如，点电荷对应电流元、介电常数对应磁介常熟、电场的强弱情况对应磁场的强弱情况、电场强度通量对应磁场通量、电偶极子对应分子电流、分子电偶对应分子磁矩、电介质对应磁介质、电极化强度对应磁化强度、电场电位的移动对应磁场强度、等等。

2.位移电流和传导电流的类比

位移电流Id是麦克斯韦在了解电容器中电流的连续性而提出的，位移电流本质就是电场发生变化引起的，并不是因为电荷的运动而产生的。变化的电场在其周边的空间中会激发磁场，这种磁场与传导电流的Ic周围激发的磁场相似，所以，就这个方面来看，变化的电场就相当是电流的作用——位移电流，为此，传导电流与位移电都是产生磁场的主要原因，与其相对应的 Maxwell 方程就应是 。两者之间不同的地方就是传导电流是由运动的电荷所产生的的，而位移电流则是由变化的电场产生的，所以，在学习的过程中，可以将位移电流这一抽象的知识点与已经学习的传导电流使用类比法的方式学习，这样有利于掌握两者的物力本质，同时也便于掌握两者之间的区别。

3.电磁场边值关系的类比

在上述内容之中，我们提到了Maxwell方程组中的电场与磁场公式具有一定的对称性，通过这样的相似性，可以将两者相应的积分形式应用到介质的分界面中，可以有效地得到电磁场之间的关联性。所以，在学习的过程中，可以使用类比的方法获得电磁场的边值关系，更好的利用边值关系进行解题。首先，将Maxwell方程组电场与磁场封闭曲面通量的两个公式应用到介质分界面中，可以得到电磁场法相分量的边值关系 。

电位移矢量D的法向分量在分界面的两侧不具有连续性，这一跃变的物理主要是由于界面上存在的面电荷分布形成的，如果不存在面电荷分布那么分界面的两侧就具有连续性，同样的，磁感应强度B的法向分量具有连续性。其次，因为电磁场环流定理在分界面上的应用可以有效地获得电磁场切向分量的边值联系 。电场强度E的切向分量具有连续性，磁场的强度H切向分量在分界面的两侧不具有连续性，当分界面上出现電流的时候，就会导致磁场强度的切向分量不具有连续性，与其相对应的，如果不存在电路那么磁场强度的切向分量连续。

4.公式的类比

两个结果在形式上具有一定的对应性。类似的案例还有很多，在这里就不都列举出来了。总之，在使用概念与公式进行类比的时候，我们可以发现电场与磁场之间存在共同点，如果将磁场与电场的物理量进行对应分析的时候，那么相应的公式也具有相似我的数学形式。所以，在电场与磁场学习的过程中，需要加强两者物理量上的对应分析，全面的了解电场、磁场物理量之间的联系性，更好的运用类比法进行学习，熟练的掌握两者的概念以及公式。

结束语

通过上述分析可以发现，电场、磁场两部分内容具有一定的关联性，并且从知识点以及数学公式分析的过程中，发现两者都具有较强的对称性。所以，在进行电磁场学习的过程中，可以适当的使用类比法对电磁场的概念、公式、物理量、两者的规律进行学习，这样更容易掌握两者的概念、公式的运用，有效地解决学习中出现的各种问题，激发学生的学习欲望。

【参考文献】

[1] 张平伟. 关于高斯定理的一个疑问[J]. 安庆师范学院学报（自然科学版），2012，18（2）.

[2] 倪燕茹. 电磁场问题中镜像法与类比法运用浅析[J]. 内江师范学院学报，2010（04）.

[3] 温耐、王伟锋. 类比法在电磁学教学中的运用[J]. 物理通报，2013（6）.

（作者单位：山东省济宁市育才中学）