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1、类比法在物理学研究中的重要性C128摘 要：类比法是通过比较两个或两类对象之间在某些方面相似或相同，进而把其中某一对象的有关知识、规律或结论推移到另一对象中去的一种研究方法。类比法在科学研究领域及物理学的发展中起着重大的作用，也是科学认知、理论建立的重要方法。类比法的应用，可大大缩短我们认知自然规律的时间。在物理教学中，能帮助学生加深对物理概念和规律的理解、把握，快捷掌握新知识。同时，本文还讨论了类比法的重要性。关键词：物理学 研究 类比法 重要性。 “类比”是逻辑学中的一种推理形式，是通过比较两个或两个对象之间某些方面的相似或相同，将某特定对象已掌握的知识推移到新的对象上去；这样便于新知识的
2、理解和掌握。其在物理学科学认知、理论建立过程中起着重要的作用。如：荷兰物理学家惠更斯，就是用类比的方法根据光也像声波那样能发生反射、折射，而提出光是一种波动的假说，为光的波动理论奠定了基础。法国物理学家德布罗意，用类比的方法根据光的波粒二象性而推论微观粒子也具有波动性，提出了物质波的概念。库仑从牛顿的万有引力定律中得到启发，把电荷之间的作用力类比万有引力，推论电力也像万有引力一样服从平方反比定律，从而总结出了库仑定律。实践表明，类比方法的正确使用，比单纯依靠实验数据，再通过归纳总结得出物理规律，大大节省了物理学理论创建的时间。在国内外，许多学者都对类比法这一研究方法的应用有较深入的研究，特别是
3、在物理学领域，主要探讨论证了类比法在物理学研究和教学中的运用；集中体现在用类比法进行教学，用类比法进行推理和对知识进行类别复习；却少见从物理学理论的建立和发展这一角度，系统详论其重要性的文章；虽然有些学者曾有所提及，但很大程度上都是一带而过。本课题将就这一方面的问题即类比法在物理学研究中的重要性进行系统的讨论。1.类比法及其特点和分类1类比是以比较为基础，通过对两对象之间的比较，找出其相似或相同点，把其中某一对象的有关知识或结论推移到另一对象中去；也就是把未知的东西和已知的东西相对比，或把陌生的对象和已经熟悉掌握的对象相对比，从而进一步获得新知识的一种方法。其特点是从特殊过渡到特殊,其结论具有
4、或然性，需经实践检验。应用类比法必须具有两个或两个以上的对象，且两事物之间具有某种相似或相同的特点才能进行比较，并要求对其中一对象熟知掌握；这样才能通过类比，可能获得对另一对象本质规律的正确认识。其中包括有属性类比法、模型类比法、数学类比法。属性类比法的一般式为：若A对象中有属性、；而B对象中也有属性、；则可推想B对象中也应有属性。例如，卡文迪许麦克斯韦曾经把电力和引力作了如下类比：引力均匀物质球壳对壳内物质无作用力，对壳外物质却有万有引力作用，引力与距离平方成反比；电力带电金属空腔对腔内电荷无作用力，对腔外电荷有力的相互作用；推理电力可能也和引力一样，与距离平方成反比。模型类比法的一般式为：
5、若A对象中的、之间有K联系,而B对象中的、分别和A对象中的、有L联系,则可推想B对象中的、之间也有与K相同或相似的联系。例如：1911年,英国物理学家卢瑟福通过粒子散射检验原子无核模型时，发现占万分之一的粒子散射角大于90、甚至等于180。这使他惊奇万分，用他自己的话来形容：“这是我一生中从来没有过的最难以置信的事件，它的难以置信好比你对一张纸射击一发十五英寸的炮弹，结果炮弹却被弹了回来，反而打在自己身上。”为此,卢瑟福苦苦思索了几个星期；长冈半太郎的土星系模型给了他启发，通过如下类比，得出了原子有核模型的推测。原子有核模型原子结构由原子核与核外电子组成，原子核集中了原子中的所有正电荷，原子核
6、与核外电子有力的相互作用。推理：电子可能也是绕原子核高速运转。数学类比法的一般式为：若A对象中、有某种函数关系式，而B对象中在数量关系上与、相似，则可推想也存在同一形式的函数关系式。或若A对象中、有函数关系式，而B对象中也有函数关系式，则可推想B对象和A对象具有某种相同的规律。例如，德布罗意把实物粒子与光类比，光服从费马定理，其变分形式为： （2） 式中为光线的路程元，n为折射系数，为介质中的光速。而在经典力学中，质点的运动服从哈密顿原理，其数学形式为：（）式中L为拉格朗日函数，为时间元。通过对这两个原理在数学形式上相似性的类比，德布罗意大胆设想：既然光的最短路径原理是从波动理论中导出的，而又
7、知光不仅具有波动性，还有粒子性（当时爱因斯坦已提出光量子说）；那么，实物粒子也应具有波粒二象性。并且，光波波长和光子动量之间有关系式；那么，物质波（德布罗意波）波长也应有相类似的关系式。根据这一类比推测，德布罗意预言：一个中等速度电子的波长相当于射线波段的波长。1927年，戴维逊革末实验证实了这一预言，使得德布罗意假说成为物理学史上运用类比思维获得惊人成就的著名实例。2.从库仑定律的建立看类比法的重要性库仑定律作为电磁学的基本规律之一，发现于1785年。它是继牛顿引力定律之后的第二个作用力与距离平方成反比的物理定律。库仑通过引力和电力或磁力的相似性，利用类比的方法，得出了库仑定律，并通过实验得
8、到验证2。3.从物质结构的探索研究过程看类比思想在物理学发展中的重要作用33.1阴极射线的发现及其本性的争论19世纪30年代，随着人们对电磁现象认识的深入发展和真空技术水平的提高，人们对大气放电现象的研究发展到在实验室中对真空放电实验的深入研究；对来自阴极管的阴极射线的本质到底是“波”还是“粒子流”？科学家围绕对阴极射线的研究展开了争论：一种观点是1876年以德国物理学家哥尔茨坦（E.Goldstein,1850-1930）主张阴极射线是“以态波”的德国派；另一种观点是来自英国学派，他们主张阴极射线是粒子流。在这两种学派争论的过程中，德国物理学家伦琴（W.C.Rontgenn,1845-192
9、3）在一个偶然事件的吸引下，发现了X射线（伦琴命名的），并对这种射线的性质作了进一步的研究。X射线的发现，是人类首次进入了微观世界。X射线发现以后，许多科学家都很快投入对X射线的本性研究；1923年美国物理学家康普顿（A.H.Compton,1892-1962），通过X射线与物质中“电子”发生散射的实验研究中进一步揭示X射线的粒子性。3.2放射性的发现伦琴发现X射线以后，引起了物理学家亨利贝克勒尔（H.Becquerel,1852-1908）的发问：这种X射线是如何产生的？而法国科学院院士著名物理学家彭加勒（H.Poincare,1854-1912）这样答道，可能是从阴极对面发荧光的那部分管壁
10、发出的。于是类似与研究发现X射线的研究方法进行猜测，反复实验验证，贝克勒尔发现了另一种穿透性很强肉眼看不见的射性放射性。3.3比原子更小的物体电子的发现4正当英德两学派关于阴极射线本性争论不休时，当时英国科学家JJ汤姆逊（J.J.Thonmson,1856-1940），在剑桥卡文迪许物理实验室从事于X射线和稀薄气体放电的研究，他的研究结束了关于阴极射线本性的争论。JJ汤姆逊把研究的这种阴极射线微粒命名为“电子。”在1896年，当他考虑到气体放电时，他特别注意到哥尔德斯坦（1876年）称为“阴极射线”的射线。JJ汤姆逊还研究了“阴极射线”在磁场和电场中的偏转，并于1897年得出结论：这些“射线”
11、不是以态波，而是物质粒子。他反问自己：“这些粒子是什么呢？它们是原子还是分子，还是处在更精细的平衡状态中的物质？5”他做了比值m/e的测定，其中m是每个微粒的质量，e是每个微粒所带的负电荷。在他后来继续研究和猜测中，JJ汤姆逊称这些粒子为“微粒”，“电子”这一名称由斯通尼在1891年采用。由于JJ汤姆逊发现的电子是第一个被发现的基本粒子，所以JJ汤姆逊被后人誉为“一位最新打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。电子的发现打破了原子不可再分的经典物质观，向人们宣告原子不是构成物质的最小单元，它具有内部结构，是可分的；电子的发现开辟了原子物理学的崭新研究领域；电子的发现开辟了电子技术的新时代，促进了电
12、子计算机技术的发展，使今天人类社会进入了个新的发展时期信息社会。可见，类比思想对我们研究物质结构起了极大的帮助，如果没有类比方法的运用与比较，那么我们对物质结构的认识可能到现在还处于启蒙时期，甚至无法继续进行对物质结构的探索与研究。我们如果想要寻求得到一条新定律的话，那么首先对它进行猜想是必不可少的，一般情况是把已知的定律与猜想的结果进行类比、逻辑推理，然后通过实验的数据检查与复核来证明猜想结果是否准确。由于类比是一种或然性的推理，有时结论并不可靠，特别是以现象作为类比的根据时，我们就容易犯错误，如荷兰物理学家惠更斯，就是将光波与声波类比，而根据声波是纵波，得出了光波也是纵波的错误结论。因此，
13、在应用类比法时，我们应该通过仔细分析、比较，透过现象抓住与所研究的问题相对应的特征，选择恰当的类比对象，提高其结论的可靠程度，自觉地、正确地掌握和应用类比方法6。同时，也应该注重通个过实验，对所得结论进行验证。4.运用类比法应该注意的问题类比法作为形式逻辑推理的一种方法，虽然有判断推理作用，但它是以个别为依据，从特殊到特殊的推理，所得结论在科学上还只能说是假说，有一定的或然性。根据类比对象之间的关系，类比可分为质料类比和形式类比。质料类比是利用类比之间的相似性进行类比的7。例如：荷兰物理学家惠更斯根据光和声具有直线传播、反射、折射等性质，由声的波动性推知光的波动性。而形式类比是指因果关系或函数
14、关系的类比。例如：库仑认为库仑力与万有引力都是保守力都遵守平方反比定律。类比是对自然界和谐美的追求，是对自然界对称性的探索。因此，更高一级的类比是基于对称性的类比，它更能揭示事物的本质；可以说类比研究方法的运用大大推动物理学各个领域的发展，它极大地丰富了科学方法论的宝库。在运用类比法时应注重以下几点：第一、积累有关类比对象的丰富知识是运用类比推理方法的前提和必要条件。由于类比方法的运用是以已有知识为基础的，因此，对有关对象的知识越丰富、越广博，在选择类比对象时，显然就越能运用自如、结果可靠性也越高。否则，就容易作出牵强附会的推论、犯机械类比的错误，致使其可靠性就越低。可见，我们必须尽量积累有关
15、对象的知识，能以尽可能多的类比属性去充实作为类比依据的客观基础，从而提高类比的可靠性。第二、在对相近或相似概念进行比较时，要着重指出它们之间的区别。对于相近或相似的东西，由于人们在思想方法上的习惯特点对其共同的特性，往往很容易记住，而对它们之间细致的差别却不易分辨清楚。所以在对相似相近概念进行比较时，就应特别强调指出它们之间的差别。这样才能使我们真正掌握所学的概念和知识。第三、在对相反或相对的概念进行比较时，要着重指出它们之间的内在联系(即共同点)。在物理学中有许多相反或相对的概念，如同相和反相、竖直上抛和下抛、正功与负功等。由于思想认识上的特点，对这些相对的概念，我们往往容易记住它们最显著的
16、不同点，而忽视它们之间的内在联系。因此在对比这样的两个概念时，要特别强调指出它们之间的共同联系。这样就可使我们对物理基本概念、基础知识掌握得更牢固。第四、类比的结论是建立在逻辑推理的基础上的。作为形式逻辑思维的一种方法，虽然有判断推理作用，但是它是以个别为依据，从个别到个别的推理，所得结论,在科学上还只能是假设，带有或然性。因此，类比结论一定要通过实验或观察等实践活动来检验。此外,由于推论的可靠性一般与逻辑的周密程度成正比，所以，要注意研究类比的逻辑规则。这样才可以激发学生创造性思维的发展，提高学生的学习兴趣，以达到增强教学效果的作用。第五、运用类比推理法，不仅要从定性方面掌握其相似性和差异性，而且要尽可能从定量方面来了解两
