论物理学中的类比方法
段 新（网名duanxinxyz ） 肖 建
摘要：本文阐述了类比法的概念、分类和特点，分析了类比方法在物理学中的作用与应用，强调了运用类比法应注意的几个问题。
关键词：物理学，类比方法，特点，作用，运用
1 类比法的概念、分类与特点
1.1类比法概念
类比法是从特殊到特殊的逻辑推理方法，是根据两个对象内部属性关系的某些方面相同或相似，从而推知它们在其他方面可能相同或相似的推理方法。类比方法广泛应用于各门学科、各个领域和各种研究学习之中。
1.2类比法的分类
从方法论的角度，可把类比法分为如下五类：
1.2.1简单共存类比法
它以简单共存关系作为推理中介。例如，有位地震研究者，在某次地震观测到天空出现奇特的云彩，并记录了这次地震的时间、方位和震级。后来，他又看到了这种云彩，推断又将再次发生地震，并预言了地震的大致时间、方位和震级，果然被言中。此种推理方法即属于简单共存类比法。
1.2.2因果类比法
它是根据相类比的两个对象各自属性之间可能有相同的因果关系而进行的类比推理。例如，声音能够直线传播、反射、折射、干涉和衍射，因为它具有波动性。在相同的关系中，光也能直线传播、反射、折射、干涉和衍射，从而推知光也可能具有波动性。十九世纪英国物理学家托马斯·杨运用因果类比法，确立了光的波动说在光学中的主导地位。
1.2.3对称类比法
它是根据两个对象属性之间的对称关系所作的类比推理。例如，英国物理学家狄拉克从描述自由电子运动方程中，得出正负对称的能量解。已知正能量对应于负电子，狄拉克根据类比推理预言负能量对应的可能是正电子。后来在实验中果然发现了正电子。
1.2.4协变类比法
它是根据两个对象可能都具有的属性之间的某种协变关系（定量函数关系）进行的类比推理。 例如，欧姆根据热传导中有协变关系:Q=Cm ×ΔT ，类比推出电流传导的协变关系： I=1/R×V 。欧姆的预言后来被实验证实。
1.2.5综合类比法
它是根据对象属性之间多种关系的综合相似性所进行的类比推理。常常运用于工程模拟和物理教学中。
1.3类比法的特点
类比方法与诸多逻辑推理方法相比较，具有三个显著特点：
1.3.1类比法最富有启发性、创造性
在科学发展的历史进程中，经常会遇到这样的事：当发现了一两个新的现象，旧理论无法解释，归纳推理又尚无能力，这时类比推理法能成为独辟蹊径、开拓新科学领域的先锋。如德布罗依提出物质波理论。例如，1923年爱因斯坦与德布罗意的交谈，使他深受启发，德布罗意逐渐接受了光具有波动和粒子两种本性的观念，并认为可以把此观念推广到一切实物粒子。1924年，德布罗意根据对称的思想，采用类比方法，发现了实物的波动性，提出
了物质波的理论。德布罗意因此荣获了1929年诺贝尔物理学奖。
1.3.2类比法有很强的灵活性
类比法能在广阔的范围内，把不同的事物（同类或不同类）联系起来产生新知。例如，牛顿把下落的苹果与月球的运动联系起来进行类比，引导他发现了万有引力定律，提出了原子核式模型假说。类比法既借助原有的知识，又不受原有知识的过分约束，使人们的认识在旧的认识基础上过渡到新的知识领域。
1.3.3类比法推理是忽然推理
类比法推理的结论，有的是正确的、开拓性的，但有的可能是错误的、甚至是荒谬的。类比推理结论的正确与否，仍然要进一步的验证，这就是类比推理的或然性。例如，火星上的温度同地球上的寒冷地区的温度差不多。地球上有人类，于是类比推知火星上也可能有人类。但近百年来的观察表明：火星上并不存在人类。
2 类比法在物理学中的作用
2.1培养学生思维能力
类比法可使学生能动地认识、理解并掌握知识，让学生在学习知识的同时，增长获取知识的能力，掌握科学的思维方法，发展智力。例如，学生在掌握了固体对支持物体表面上的压强后，通过类比推理可以认识液体内部的压强。在这样的学习过程中，学生不是接受现成的知识，而是经过自己的努力探索获得新知识。这样得到的知识记忆更牢固，理解也更透彻。
2.2化抽象为具体
类比法能够给物理现象或物理概念中抽象的事物赋予间接的直观形象，把研究对象具体化，即把已知对象的明确性和可理解性转移到研究对象上去。例如，学生往往对电流的传播速度产生疑问：电流是电荷的定向移动，电荷定向移动的速度只有每秒5-10米，可为什么电键一合，电灯马上就会点亮呢？
可以用这样一个类比解释：把电流与水管中的水流相比，把电场的传播与水压的传播相比。当把水送到水塔上时，水压就立刻传递到了水路各处。我们一扭开水龙头，由于水龙头中的水已处于水压的作用下，所以水就立刻流了出来，不过水流的速度远小于水压的传递速度。由此类推，当电源被联入电路时，电场就以光速传播到电路各处，于是当我们打开电灯开关，电灯就会立刻发出光来。上述类比较好地解释了电荷定向移动与电流传播速度的关系。
2.3为物理模拟实验提供依据和方法
中学物理教学中的物理演示实验，从手段上可分为两大类：一类是真实的实验演示，另一类是模拟演示。模拟演示是利用模型、图片、电子计算机等把物理现象、物理过程、物体外形和内部结构等模拟地反映出来。利用模拟演示通常是由于实际物理现象不易观察，或实物太小，如微观的原子结构；或物理过程进行得太快而无法观察，如内燃机的工作过程；或有些实验在教学中根本无法演示，如原子弹和氢弹爆炸。此外，由于各具体学校的设备条件及经费的限制，也需要因陋就简地进行一些模拟实验。可见，模拟演示在中学物理教学中起着重要的作用。
模拟实验的根据是它与真实实验具有相似的形式、相似的条件，依照相似或相同的原理，所以模拟结论与真实结论也有相同或相似之处。这正是类比法的实质。
3 运用类比法应注意的几个问题
3.1正确对待类比法推理的或然性
不应过分强调类比法推理的或然性，不能把其可靠性绝对化。类比法推理的科学性与或然性是辩证关系。积累有关对象的丰富知识，选择恰当的类比对象是运用类比推理法的必要条件，抓住相似属性与推出属性的本质联系是提高推理可靠的保证。例如，用水压类比电压，的确存在着一定的局限性。但是，在初中物理教学阶段涉及有势场，完全可以用与水压类比
的方法，给电压这个抽象概念赋予直观形象，符合初中教学阶段的要求。
3.2通俗不俗，科学严谨
选作类比的材料应当通俗，尽可能利用学生已有的知识、熟知的事物。但是，类比的材料不能太庸俗，要和思想教育相协调，取材要适合国情。例如，有的国外教材，以赌场里赌徒们的输赢类比机械能守恒，虽然十分形象，也很贴切，但这个类比对我国来说是低级庸俗的，不宜采用。
通俗易懂与科学严谨是辩证统一关系。通俗而不科学就谈不上易懂，易懂而不严谨就失去了科学性。这里指的科学性只是相对于某一教学层次、学生的某一认识阶段的科学性，这里说的严谨，其中也包括类比格式的严谨。要求类比的两个事物间相似点一一对应，而且要对应得当，类比推理才有说服力。
3.3防止机械类比
运用类比法的首要问题就是研究两类事物的可比性。即使两个可以进行类比的事物，也不可能所有属性处处相似，点点对应。它们之所以是两个事物，必存在差异性。在进行类比时，有时要告诉学生两事物间哪些方面可比，避免机械类比的错误。对本来就比较直观、与生活联系比较紧密的物理概念与物理现象等，没有必要非用类比，用了反而显得啰唆，冲淡主题，使教学重点不突出。
3.4运用类比法要有针对性
教学中类比法要用得好、用得巧，必须具有针对性。
3.4.1要针对不同的学生选用不同的类比素材
例如，教师打比方说：“二极管的单向导电性就像自选商场入口处的门，许进不许出。”城市里的学生可能明白，可是许多农村的学生却不知道自选商场是怎么一回事。
3.4.2要针对物理教学内容和目的
如果教学内容比较抽象、呆板（如光谱、光谱分析），适合运用一些轻松活泼的类比；如果教学内容具有较严密的逻辑性，与前面的知识有必然的联系，运用类比就比较合适（如重力场与电场的类比）；在进行单元或总复习时运用系统类比将会收到很好的效果。
3.4.3要针对课堂气氛
在课堂教学中，如果学生的注意力都很集中，他们对教师所讲的物理知识都能顺利接受，此时不用无妨，用得不当反而会产生副作用，影响教学效果。如果教师发现课堂里多数学生精神疲惫，就应当采用一些风趣幽默的类比活跃气氛，振奋精神。多数时候，类比并不作为一种独立的教学方法，它需要辅之于其它的方法，与其它方法相互补充，交相辉映，才能更好地发挥类比法的作用。
论物理学中的类比方法
段 新（网名duanxinxyz ） 肖 建
摘要：本文阐述了类比法的概念、分类和特点，分析了类比方法在物理学中的作用与应用，强调了运用类比法应注意的几个问题。
关键词：物理学，类比方法，特点，作用，运用
1 类比法的概念、分类与特点
1.1类比法概念
类比法是从特殊到特殊的逻辑推理方法，是根据两个对象内部属性关系的某些方面相同或相似，从而推知它们在其他方面可能相同或相似的推理方法。类比方法广泛应用于各门学科、各个领域和各种研究学习之中。
1.2类比法的分类
从方法论的角度，可把类比法分为如下五类：
1.2.1简单共存类比法
它以简单共存关系作为推理中介。例如，有位地震研究者，在某次地震观测到天空出现奇特的云彩，并记录了这次地震的时间、方位和震级。后来，他又看到了这种云彩，推断又将再次发生地震，并预言了地震的大致时间、方位和震级，果然被言中。此种推理方法即属于简单共存类比法。
1.2.2因果类比法
它是根据相类比的两个对象各自属性之间可能有相同的因果关系而进行的类比推理。例如，声音能够直线传播、反射、折射、干涉和衍射，因为它具有波动性。在相同的关系中，光也能直线传播、反射、折射、干涉和衍射，从而推知光也可能具有波动性。十九世纪英国物理学家托马斯·杨运用因果类比法，确立了光的波动说在光学中的主导地位。
1.2.3对称类比法
它是根据两个对象属性之间的对称关系所作的类比推理。例如，英国物理学家狄拉克从描述自由电子运动方程中，得出正负对称的能量解。已知正能量对应于负电子，狄拉克根据类比推理预言负能量对应的可能是正电子。后来在实验中果然发现了正电子。
1.2.4协变类比法
它是根据两个对象可能都具有的属性之间的某种协变关系（定量函数关系）进行的类比推理。 例如，欧姆根据热传导中有协变关系:Q=Cm ×ΔT ，类比推出电流传导的协变关系： I=1/R×V 。欧姆的预言后来被实验证实。
1.2.5综合类比法
它是根据对象属性之间多种关系的综合相似性所进行的类比推理。常常运用于工程模拟和物理教学中。
1.3类比法的特点
类比方法与诸多逻辑推理方法相比较，具有三个显著特点：
1.3.1类比法最富有启发性、创造性
在科学发展的历史进程中，经常会遇到这样的事：当发现了一两个新的现象，旧理论无法解释，归纳推理又尚无能力，这时类比推理法能成为独辟蹊径、开拓新科学领域的先锋。如德布罗依提出物质波理论。例如，1923年爱因斯坦与德布罗意的交谈，使他深受启发，德布罗意逐渐接受了光具有波动和粒子两种本性的观念，并认为可以把此观念推广到一切实物粒子。1924年，德布罗意根据对称的思想，采用类比方法，发现了实物的波动性，提出
了物质波的理论。德布罗意因此荣获了1929年诺贝尔物理学奖。
1.3.2类比法有很强的灵活性
类比法能在广阔的范围内，把不同的事物（同类或不同类）联系起来产生新知。例如，牛顿把下落的苹果与月球的运动联系起来进行类比，引导他发现了万有引力定律，提出了原子核式模型假说。类比法既借助原有的知识，又不受原有知识的过分约束，使人们的认识在旧的认识基础上过渡到新的知识领域。
1.3.3类比法推理是忽然推理
类比法推理的结论，有的是正确的、开拓性的，但有的可能是错误的、甚至是荒谬的。类比推理结论的正确与否，仍然要进一步的验证，这就是类比推理的或然性。例如，火星上的温度同地球上的寒冷地区的温度差不多。地球上有人类，于是类比推知火星上也可能有人类。但近百年来的观察表明：火星上并不存在人类。
2 类比法在物理学中的作用
2.1培养学生思维能力
类比法可使学生能动地认识、理解并掌握知识，让学生在学习知识的同时，增长获取知识的能力，掌握科学的思维方法，发展智力。例如，学生在掌握了固体对支持物体表面上的压强后，通过类比推理可以认识液体内部的压强。在这样的学习过程中，学生不是接受现成的知识，而是经过自己的努力探索获得新知识。这样得到的知识记忆更牢固，理解也更透彻。
2.2化抽象为具体
类比法能够给物理现象或物理概念中抽象的事物赋予间接的直观形象，把研究对象具体化，即把已知对象的明确性和可理解性转移到研究对象上去。例如，学生往往对电流的传播速度产生疑问：电流是电荷的定向移动，电荷定向移动的速度只有每秒5-10米，可为什么电键一合，电灯马上就会点亮呢？
可以用这样一个类比解释：把电流与水管中的水流相比，把电场的传播与水压的传播相比。当把水送到水塔上时，水压就立刻传递到了水路各处。我们一扭开水龙头，由于水龙头中的水已处于水压的作用下，所以水就立刻流了出来，不过水流的速度远小于水压的传递速度。由此类推，当电源被联入电路时，电场就以光速传播到电路各处，于是当我们打开电灯开关，电灯就会立刻发出光来。上述类比较好地解释了电荷定向移动与电流传播速度的关系。
2.3为物理模拟实验提供依据和方法
中学物理教学中的物理演示实验，从手段上可分为两大类：一类是真实的实验演示，另一类是模拟演示。模拟演示是利用模型、图片、电子计算机等把物理现象、物理过程、物体外形和内部结构等模拟地反映出来。利用模拟演示通常是由于实际物理现象不易观察，或实物太小，如微观的原子结构；或物理过程进行得太快而无法观察，如内燃机的工作过程；或有些实验在教学中根本无法演示，如原子弹和氢弹爆炸。此外，由于各具体学校的设备条件及经费的限制，也需要因陋就简地进行一些模拟实验。可见，模拟演示在中学物理教学中起着重要的作用。
模拟实验的根据是它与真实实验具有相似的形式、相似的条件，依照相似或相同的原理，所以模拟结论与真实结论也有相同或相似之处。这正是类比法的实质。
3 运用类比法应注意的几个问题
3.1正确对待类比法推理的或然性
不应过分强调类比法推理的或然性，不能把其可靠性绝对化。类比法推理的科学性与或然性是辩证关系。积累有关对象的丰富知识，选择恰当的类比对象是运用类比推理法的必要条件，抓住相似属性与推出属性的本质联系是提高推理可靠的保证。例如，用水压类比电压，的确存在着一定的局限性。但是，在初中物理教学阶段涉及有势场，完全可以用与水压类比
的方法，给电压这个抽象概念赋予直观形象，符合初中教学阶段的要求。
3.2通俗不俗，科学严谨
选作类比的材料应当通俗，尽可能利用学生已有的知识、熟知的事物。但是，类比的材料不能太庸俗，要和思想教育相协调，取材要适合国情。例如，有的国外教材，以赌场里赌徒们的输赢类比机械能守恒，虽然十分形象，也很贴切，但这个类比对我国来说是低级庸俗的，不宜采用。
通俗易懂与科学严谨是辩证统一关系。通俗而不科学就谈不上易懂，易懂而不严谨就失去了科学性。这里指的科学性只是相对于某一教学层次、学生的某一认识阶段的科学性，这里说的严谨，其中也包括类比格式的严谨。要求类比的两个事物间相似点一一对应，而且要对应得当，类比推理才有说服力。
3.3防止机械类比
运用类比法的首要问题就是研究两类事物的可比性。即使两个可以进行类比的事物，也不可能所有属性处处相似，点点对应。它们之所以是两个事物，必存在差异性。在进行类比时，有时要告诉学生两事物间哪些方面可比，避免机械类比的错误。对本来就比较直观、与生活联系比较紧密的物理概念与物理现象等，没有必要非用类比，用了反而显得啰唆，冲淡主题，使教学重点不突出。
3.4运用类比法要有针对性
教学中类比法要用得好、用得巧，必须具有针对性。
3.4.1要针对不同的学生选用不同的类比素材
例如，教师打比方说：“二极管的单向导电性就像自选商场入口处的门，许进不许出。”城市里的学生可能明白，可是许多农村的学生却不知道自选商场是怎么一回事。
3.4.2要针对物理教学内容和目的
如果教学内容比较抽象、呆板（如光谱、光谱分析），适合运用一些轻松活泼的类比；如果教学内容具有较严密的逻辑性，与前面的知识有必然的联系，运用类比就比较合适（如重力场与电场的类比）；在进行单元或总复习时运用系统类比将会收到很好的效果。
3.4.3要针对课堂气氛
在课堂教学中，如果学生的注意力都很集中，他们对教师所讲的物理知识都能顺利接受，此时不用无妨，用得不当反而会产生副作用，影响教学效果。如果教师发现课堂里多数学生精神疲惫，就应当采用一些风趣幽默的类比活跃气氛，振奋精神。多数时候，类比并不作为一种独立的教学方法，它需要辅之于其它的方法，与其它方法相互补充，交相辉映，才能更好地发挥类比法的作用。