类比和比喻在物理教学中的应用 

佛山市南海区石门中学  袁晓明

摘要：学生普遍感觉高中物理知识较难，不好理解，究其原因，主要是概念比较抽象，定律、定理的内涵和外延比较丰富，学生很难真正领悟并灵活运用。倘若我们老师在课堂教学中运用大量生动形象的类比和比喻，使抽象的概念具体化，模型的构建形象化，复杂的物理过程直观化，深奥的理论浅显化。这样既能帮助学生克服认知过程中的困难，又能使物理课堂妙趣横生，激发学生的学习兴趣，有效地提高课堂效率。

物理学史上对物理的研究中，科学家们个个都是“比喻”的高手，比如：汤姆生提出的“枣糕式”模型，安培提出的“分子电流”假说，开尔文在展望20世纪物理学前景时，讲道“在物理学晴朗的天空远处，还有两朵令人不安的“乌云”，它们的存在使得物理学的优美性和明晰性黯然失色－两朵“乌云”即是“紫外灾难”问题（导致相对论的产生）和“以太漂移” 问题（导致了量子论的出现）。

科学家们在解释某些非常抽象的道理时经常用到“类比”“比喻”的方法。我们一线教师在日常教学中，经常会感到有些抽象知识点很难讲清、很难让学生真正领悟，倘若我们老师在课堂教学中运用大量生动形象的类比和比喻，使抽象的概念具体化，模型的构建形象化，复杂的物理过程直观化，深奥的理论浅显化，即以浅喻深，以简喻繁。把原本枯燥难懂的物理概念、规律，变成学生喜闻乐见的内容，这样既能帮助学生克服认知过程中的困难，又能使物理课堂妙趣横生，激发学生的学习兴趣，有效地提高课堂效率。物理来自于生活，物理的学习也应该还原回生活。笔者从以下几个方面展示自己的教学和学习中的一些体会。

一、物理教学中随处可见的类比和比喻

1．力学

加速度的概念（向银行存款）－“做加速运动的物体，加速度减小，速度却在不断增大”，很多刚入高一的学生对此很难理解，不少学生认为加速度减小，速度自然也减小。这时我们可以形象地比喻：你去银行存钱，每天分别存100、80、60、40元，虽然每天存额在减少，但你的银行存款总额却与日俱增，因为你一直往银行存钱，正如物体一直做加速运动，只是每秒钟加速得慢了，但速度是不断增大的。 

时间与时刻的区别－把时刻比喻成数学中的元素，时间比喻成集合，时间是由大量的时刻所组成。

惯性的概念－很多学生有这样的错误认识：“物体只有在运动状态发生改变的时候才有惯性或表现出惯性，静止的物体没有”、“速度大的物体难停下来是因为惯性大”等，我们可以用一个人来背这个物体的难易来比喻物体的惯性大小。那么背这个物体的难易程度就只由这个物体的质量决定了，不管这个物体是在运动的车上还是在静止的地面上，是在高速的车上还是在低速的车上。只要物体的质量不变，那么要背起它来用的力都是一样的。不能说，你不背它它就不重，那么惯性的理解也是一样。再套用现在的流行语：你动或者不动，质量在那里；你快或者不快，惯性就在那里，不增或不减。相信会令学生豁然开朗，解除疑惑。

标量为何有正负之分－学习电流的大小和方向后，学生常会难以理解：“电流既有大小又有方向，为什么是标量而不是矢量？”这里我们当然可以用“是否符合矢量运算规则”来判断它是标量还是矢量，但是运用类比更简单明了。力是矢量，只要改变其大小或方向，力就改变。用电炉烧水，当改变电流方向时，电能转变成热能的不会改变，因此电流是标量。在这里也可以总结下：电流、磁通量、功、电势能、电势、电势差等物理量都有方向和正负之分，但都是标量，而比较大小时：电势、电势能、电势差等物理量正的比负的值要大，而电流、磁通量、功等物理量比较大小时需取绝对值，与正负无关，其正负具有特定的物理意义。

“独舞者的录像”和“团体操的集体照”来分别描述振动图象是“一个质点在各个时刻的位移”、波动图象是“多个质点在同一时刻的位移”，由于形象直观，学生很容易理解区别这两种图象。

2．电磁学

电动势的概念－学生很难理解，可以用小孩子坐滑梯来比喻，小孩在重力的作用下从高处往下滑，小孩的重力势能越来越少。小孩子不能自己爬上滑梯，只能通过大人把他抱上去，借助于外力的作用。电子在电源外部电路中靠电场力的作用做定向移动，在电源里面是靠非静电力做功而移动的。（对干电池而言非静电力是化学亲和力，做的是正功，它要克服电场力做功）

电场是看不见摸不着的物质，在讲它的性质时可用试探电荷来检验，但试探电荷的线度和电量必须足够小，电场的存在和强弱并不因检验电荷的有无和电量大小而改变。这一性质与“人的体温可用体温计来测量，体温计很小，放入人体不致引起体温变化；即使没有体温计，人的体温也照样存在，并基本保持不变。”电荷产生的电场不可能对自己产生电场力的作用，如同运动员力气再大，“气场”再强，也不可能对自己施加力的作用把自己给抱起来。

电容器电容的概念（定义式和决定式）－可用盛水的直筒容器作比喻，水量相当于电量，水面高度差相当于电势差，不同的直筒容器，使它们水面升高1厘米所需水量不同，只决定于筒口的形状和尺寸，而与水无关。这与使不同电容器电势差增加1伏所需电量不同是类似的，它也只决定于电容器本身的结构和尺寸。这样的类比可帮助学生形象理解电容的定义式和决定式。我们说：“当电容器充满电后，改变极板间的距离d或正对面积S，电量Q是不变的”，类似于用杯子在饮水机下接水，当水装满后，再倒入到另一尺寸大的或小的杯子时，水量（电量）是不变的。

电流和磁场的方向的符号－通常用“⊙ 、Ä”和“ • 、×” ，分别表示垂直于纸面向外和向里，这种表示方法比较形象，但学生初接触往往容易混淆，这时老师教学时可用“一支箭”作比喻，“垂直纸面向外”好象“箭射向读者”，只能看到一点；“垂直纸面向里”好象“箭从读者处射入”，只看到箭尾的“×”或“Ä”。

电场力对电荷做正功，电势能减少；克服电场力做功时，电势能增加。学生对电场陌生，而对重力场熟悉，可以借用重力做功来类比，重力（电场力）对物体（电荷）做正功时，物体（电荷）的重力势能（电势能）减少；克服重力（电场力）做功时，物体（电荷）的重力势能（电势能）增加。

法拉第电磁感应定律的理解－区别磁通量、磁通量的变化量和磁通量变化率的概念，学生容易搞混，这时我们可以类比于对加速度的理解：速度、速度变化量、速度变化率的概念，在已经掌握好加速度概念的基础上，法拉第电磁感应定律的内涵就很容易理解。而法拉第电磁感应定律一般用来求感应电动势的平均值，一般用来求感应电动势的瞬时值，类似于一般求平均功率，一般求瞬时功率。

库仑定律和万有引力定律－，数学表达式形式上非常相似，属于相互作用力，大小相等方向相反，作用在两个不同物体上，一个研究天地万物间的普遍适用的引力，一个是研究电荷间的电场力，两个公式惊人的相似，让学生深切体会到物理世界规律是和谐、是美的。

“万箭穿心，一指定乾坤”－在讲解左手定则时，为了让学生牢固地记住磁感线垂直穿过手心，可以说万“箭”穿心（老师做痛苦表情状），而一“指”定乾坤则是：指拇指方向就是通电导线在磁场中的所受力安培力方向。高度概括，方便记忆。

楞次定律是电磁感应中的重要定律，也是很难理解的。不少学生把“阻碍原磁场磁通量的变化”理解为和原磁场方向相反，混淆了“阻碍”和“阻止”的含义，为让学生准确理解“阻碍变化”四个字，拿一个性格孤僻而又好客的双重性格的人作比喻。即：当家中有客人来时，他持反对态度，不愿别人来他家做客，客人来的时间久了也就自然了，而当客人要走时他又想让客人长久的住下，不愿其离开。就是“来时拒之，走时挽留” 即“来拒去留”。 还可以这样比喻：在被太阳晒过的烂泥塘里，当人踩上去时，稍硬的表面会阻碍你下沉；当下沉后，你想拔出腿来，烂泥又会阻碍你拔出腿来。

3．热学

分子势能随距离的变化关系－可用“弹簧连接的两小球”这个模型来作类比，帮助理解和记忆，即从r0开始，不论分子间距离增大或减小，分子势能都增大；当距离大于10r0时，分子势能几乎为零。

4．光学与原子物理学

“光的波粒二象性”的理解－也是令许多学生困惑的，因为现实生活很难找到既有波动性又有粒子性的物体。可以这样类比：“你在学校学习，你的身份是学生，你回家，你的身份就是父母的孩子。”光在相应的条件下表现波动性或粒子性，其实只是从不同方面来看待光的本质。

光电效应产生的条件：“入射光的频率要大于极限频率，即入射光的能量要大于逸出功”，学生总误以为：“长时间照射总能发生光电效应，增大入射光子数量能提高光子初动能”，为了帮助学生理解发生光电效应的条件，老师可以这样类比：部队射击训练，一个距离很远靶子，手枪因为射程不够是打不到的，你用手枪打一百发，都是够不着。

玻尔理论量子化解释－“原子能级是量子化，只允许取一系列不连续的值”，可以类比为：人站在台阶上，人的势能只能是某一台阶处的势能，不能占据任意两级台阶间的任意能量值。“核外电子跃迁时只能吸收或辐射相应能级差的光子能量”，可以类比为上楼梯（类似向高能级跃迁，人要提一口气吸收能量），而且只能一个或几个台阶上。

原子结构模型和核外电子的运动特征－可以用卫星围绕地球做匀速圆周运动来类比，核外电子受到的库仑力类似于卫星受到万有引力，都提供向心力。为了说明“核外电子离核越远能量越高”这一事实，可以这样比喻：老师在上课时，距讲台近的学生个子比较小，能量也比较低，被老师牢牢掌控，距讲台较远的学生，个子高，能量就大，越容易摆脱老师的吸引，一不留神，就有可能溜出教室。

二、物理课堂教学运用类比和比喻的两个基本原则

应该说创设物理教学中的比喻，比普通平常说话打比方更有难度，它需要教师对物理现象、物理模型、物理性质和规律有本质性的深入了解，同时又得具有比较敏锐的洞察力和不凡的想象力，在类比和比喻中需要注意以下两个原则。

1、 同构性原则

即本体和喻体从性质、特征上要尽可能相似，不能生拉硬搬，用格格不入的事物、现象来作比喻。如库仑定律与万有引力定律的类比，电场力做功引起电势能的变化与重力做功引起重力势能变化的类比，原子结构模型与天体运动的卫星模型的类比等都满足同构性原则，学生比较容易归纳分析出他们的异同点，从而加深对物理概念和规律的理解。

２、简化性原则

即运用简单和学生熟知的客观事实、现象作比喻化解知识难点。不宜用教师熟悉学生不熟悉的，涉及过多背景知识的，有可能节外生枝产生新的疑点的。现举两个著名物理学家卢瑟福和爱因斯坦的例子共同学习：

卢瑟福粒子散射实验－他实验时发现有的粒子出现大角度散射甚至几乎达到时，大吃一惊，感到不可思议，他感叹道：“这就像一枚15英寸的炮弹打在一张纸上又被反弹回来并击中炮手那样。”卢瑟福对他所发现的实验结果描述得令人怕案叫绝，因为比喻的手法运用得恰到好处，揭示出当时原有理论与实验现象的矛盾之处。

“相对论”妙解－爱因斯坦发表“相对论”著作后，据说当时全世界只有几个高明的科学家看得懂，有一次，群众包围了从德国移居美国的爱因斯坦的住宅，要他用“最简单的话”解释清楚他的“相对论”。爱因斯坦走出住宅，对大家说：“比方这么说―你同你最亲的人坐在火炉边，一个钟头过去了，你觉得好像只过了5分钟！反过来，你一个人孤孤单单地坐在热气逼人的火炉边，只过了5分钟，但你却像坐了一个小时。唔，这就是相对论！”因为对普通老百性来说，不一定都具有一定的物理基础知识，无法从专业的角度解释清楚，爱因斯坦从生活中的例子入手，让老百姓亲身感受体会，大家均释怀。

物理教学中还有大量生动形象的比喻，需要我们教师深入研究教材、了解学生特点，努力挖掘，并逐渐积累。合理恰当地运用类比和比喻，将其他知识相互迁移、融会贯通，这样的物理课堂更生动更有趣。同学们对这些形象的比喻教学法，“一见钟情”“永志不忘”，容易“举一反三”“触类旁通”。也会改变学生对物理难学的片面认识，让学生更喜欢物理、乐于学习物理，老师教起来也更顺手，更显得教师幽默风趣，何乐而不了呢？