学习物理要多多寻找大自然的“相似形”

马菊

物理学是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的自然科学，它的研究范围小到微观粒子，大到宏观天体运动。物理作为自然科学的重要分支，不仅对物质文明的进步和人类对自然界认识的深化起了重要的推动作用，而且对人类的思维发展也产生了不可或缺的影响。从亚士里多德时代的自然哲学，到牛顿时代经典力学，直至现代物理中的相对论和量子力学，都是物理学家科学素质、科学精神以及科学思维的有形体现。

自然规律不是根据有限的事实归纳出来的，新知识的建立常常不在于实验证据的多寡，而在于研究者的洞察力。日常生活与工作中，新认识、新见解是这样，物理学更应该是这样。分析物理学研究的前因后果，大自然的“相似形”正如颗颗小恒星镶在宇宙各个闪光点上，引导人类去寻找归纳。如果将这些“相似形”，用空间曲线串起来，它就是我们学习物理、探究物理的大道之一。

初中义务教育阶段的物理浅显、通俗易懂，它对物理规律的陈述往往是建立在初中生已有思维方式和能够接受的最简单的概念和定义基础上的。

一、“相似形”体现在基本概念上

义务教育课程标准实验教科书物理中，（1）速度的定义是：物体在单位时间内通过的路程。公式v=s/t，s表示路程，t表示时间，v表示速度。（2）密度的定义：在物理学中，把某种物质单位体积的质量叫做这种物质的密度。公式：ρ=m/V，m表示质量，V表示体积，ρ表示密度。（3）在讲述地球表面物体所受重力时讲道：在同一地点物体受到的重力与它的质量的比是个定值：g=G/m=9.8牛/千克，G表示物体受到的重力，m表示物体质量，g表示这个定值，并解释为质量为1kg的物体受到的重力为9.8N。（4）热值的定义是：1kg某种燃料完全燃烧时化学能转化为内能的量叫做这种燃料的热值。公式： λ=Q/m ，Q表示热量，m表示质量，λ表示热值。（5）比热容的定义是：单位质量的某种物质温度升高（或降低）1度所吸收（或放出）的热量，叫做这种物质的比热容。公式c=Q/ （mΔt）， Q表示热量，m表示質量，Δt表示温度变化，c表示比热容。

比较前四个，不难发现它们的“相似”之处，都定义为在某单位物理量的限度之内存在的另一个物理量。如果把它们四个用同一形式k来表示，某单位物理量用x表示，另一个物理量用y表示，它们的定义式就可统一写为k=y/x，这不正是物理定义“相似”被同一数学形式表达式所表达了吗？而第五个比热容的定义可看作是：“k=y/x”的扩充，不妨写为：k=y/（xz），即k定义为在两个单位物理量的限度之内存在的另一个物理量。那么我们还能设想是否存在一个物理量，被定义在多个单位物理量的限度之内。这样初中阶段基本概念就很容易地被搞清楚了。

二、“相似形”体现在对物质性质的描述上

密度、比热容、电阻，从不同角度对物质性质进行描述。对密度是这样阐述的：同一种物质的质量与体积的比值是一个常数，它反映了物质固有的一种属性，即ρ=m/V，也就是说，某种物质的性质之一密度与物质质量多少和体积无关，但可用质量与体积的比值来表达。同样对比热容的阐述是：不同种类的物质，在质量及温度变化相同时，所吸入（或放出）热量一般不同，即：c=Q/（mΔt），同样某物质的比热容与热量多少、质量多少、温度变化值无关，但可用它们的比值来表达。根据欧姆定律得，对某成品电阻器，其电阻值可表达为R=U/I，即当电阻器不更换，电阻两端电压与通过电阻的电流比值是一个定值，但可用它们的比值来表达。同理，对比热容、电阻也可以有这样的理解方式，这样我们不是把对物质性质的理解框在一个模式了吗？第一个性质理解清楚了，第二、第三个也就轻松接受了。

其实，物理学对大自然现象的描述中还有许多“相似形”，不妨再找一找。要想轻松学习物理，还要看看以往的前辈们是怎样寻找大自然的“相似形”的。（1）按照麦克斯韦电磁理论，变化的电场和变化的磁场不断地相互交替，由近及远地传播出去。变化的电磁场在空间以一定的速度传播，就是电磁波。电磁波在本质上与机械波是不相同的。于是，描述电磁波就用与描述机械波相似的数学形式来表达，即用“相似形”的思维去考虑不同的波动。（2）1842年，奥地利物理学家克里斯蒂安一多普勒提出，当声源在运动中时，听者会感到单调有高低的变化。声源接近时，声波被“压缩”，听者感到音调变高;声源远离时，声波被“拉伸”，音调变低。1868年，科学家哈根斯首次用反光镜测得天狼星的谱线偏红，且算出天狼星离开我们的视向速度是47km/s，量一量谱线就能确定恒星的运动速度，这一方法简直太便捷了。这也是用“相似形”思维去分析不同的波动，达到了一般难以想到的结果。

让我们在先辈们的精神的鼓舞下，继续学习、探究物理规律，多多寻找大自然的“相似形”，使得物理学永远向着最先进的方向发展。

编辑 谢尾合