物理學(xué)發(fā)展中的類比法及其運用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 在物理學(xué)發(fā)展中，人們利用因果類比、數(shù)學(xué)類比、概念類比和模型類比探索了許多未知的領(lǐng)域，是許多物理學(xué)中的疑難問題得到解決。類比方法在物理學(xué)發(fā)展中起著極其重要的作用。德國天文學(xué)家開普勒曾說過：“我珍視類比勝于任何別的東西，它是我最可信賴的老師，它能揭示自然的秘密?！?類比法的涵義 類比法是由兩個（或兩類）對性之間在某些屬性上相同或者相似，推出他們在另一個屬性也可能相同或者相似的一種邏輯思維方法。類比推理可用下列公式表示： A對象具有屬性a,b,c,d. B對象具有屬性a,b,c. 所以，B對象也具有屬性d. 類比推理所得的結(jié)論是不確定的，即它可能為真，也可能為假。說它可能

2、為真，是因為客觀事物的屬性之間是互相聯(lián)系，既然A對象與B對象都有相同或相似的屬性a,b,c,而A對象的a,b,c能與d聯(lián)系，那么B對象的a,b,c也可能與d有聯(lián)系，這是事物同一性的反映；說它可能為假，是因為客觀事物屬性之間聯(lián)系是極其復(fù)雜的，在A對象里，屬性a,b,c能同屬性d聯(lián)系，而在B對象里，屬性a,b,c卻表現(xiàn)為不與d聯(lián)系，這是事物間異性的反映，正因為事物的屬性間有這種復(fù)雜關(guān)系，所以通過類推所得的結(jié)論就不一定是真的和完全可靠。例如，關(guān)于“地球上有氦元素”和“火星上可能有生物”這兩個結(jié)論，都是通過類比推理得出來的，前者是根據(jù)地球和太陽有一系列元素相同，而太陽上有氦，從而推出地球上也可能有氦。

3、這個結(jié)論經(jīng)實踐證明是真的，現(xiàn)在人類已經(jīng)制造氦氣；后者是根據(jù)火星同地球有一系列屬性相同，而地球上有生物，從而推出火星上也有可能有生物。然而，這個結(jié)論現(xiàn)在已被降落在火星上的宇宙探測器證明是假的。這就說明，有類比推理推出來的結(jié)論是或然的，它必須通過實踐去檢驗。2物理發(fā)展中類比法的運用 類比法立足于已有知識的基礎(chǔ)之上，是進一步認(rèn)識事物的一種有效的試探性方法。由于物質(zhì)性質(zhì)的差異，類比推理預(yù)測的結(jié)果不一定真實可靠，尚待實驗證實。但是，它是探索新知識的先導(dǎo)，是科學(xué)家說的前提，是一種科學(xué)的思維方法。 許多偉大科學(xué)家的成就都是善于運用類比推理法，提出科學(xué)假說，進而獲得巨大的成功。在物理學(xué)的漫長發(fā)展過程中發(fā)揮了重

4、要的作用。 眾所周知的阿基米德沉浮定律，就是運用了類比的方法。傳說敘拉古的國王讓工匠制造了一頂金王冠，制成后，國王請阿基米德來檢驗王冠是否用純金制成。為了解決這個難題，阿基米德苦思冥想不得要領(lǐng)。有一次，他正在洗澡，注意到浴池中水面的高低與他是否在浴池中以及身體浸入水中的體積有關(guān)，頓時類比推理觸發(fā)了他的靈感想到了識別王冠的方法?；氐酵鯇m后，把王冠和同等重量的純金放在盛滿水的兩個盆里，比較兩個盆溢出來的水，發(fā)現(xiàn)放王冠的盆里溢出來的水比另一個盆的多，這就說明王冠的體積比純金體積大，因為它們重量相同，所以證明了王冠里滲入了其他進一步實驗，終于發(fā)現(xiàn)了浮力定律。浮力定律的發(fā)現(xiàn)是阿基米德經(jīng)過比較同一類事物得

5、到的重要結(jié)論。 事物遞進式的聯(lián)系普遍為人們所重視。而平行擴展式的聯(lián)系比遞進式的關(guān)系更廣泛。認(rèn)識這種橫向延展的聯(lián)系，類比是一個很好的方法。表面上不相關(guān)聯(lián)的對象，通過類比這個中介環(huán)節(jié)可以建立聯(lián)系，這就是異類類比法的應(yīng)用。 例如：英國的化學(xué)家普利斯特利在研究有關(guān)電荷之間相互作用的規(guī)律時，于1755年重做了富蘭克林的實驗，用一根絲線把一個木塊懸掛在帶點的金屬罐外的附近，發(fā)現(xiàn)小木塊受到強烈的吸引，而懸掛在罐內(nèi)時，木塊在任何地方都不受電力的作用。這個實驗證明空心的帶電體對其內(nèi)的電荷確實沒有力的作用。聰明的普利斯特利立即從這一事實聯(lián)系到牛頓的萬有引力定律。牛頓曾用數(shù)學(xué)方法證明過：如果平方反比定律有效，一個具

6、有引力的物質(zhì)構(gòu)成的均勻球殼對其內(nèi)部的物體沒有引力作用，而且任何不滿足反平方關(guān)系的力都不會有此結(jié)果。于是普利斯特利便大膽地提出了自己的設(shè)想：電荷間的相互作用與萬有引力一樣，也遵循平方反比的規(guī)律。盡管當(dāng)時他本人對此未能給出嚴(yán)格的證明，但這種推理卻有力地促進了其他科學(xué)探索者用實驗驗證它。后來，法國科學(xué)家?guī)靷愒⒁獾诫姾芍g的靜電力與萬有引力有許多類似之處，于是他大膽地假設(shè)靜電力的規(guī)律與萬有引力定律。靜電力的規(guī)律和萬有引力定律顯然是相互獨立的，將兩者類比，使人對自然界隱含的奧秘，產(chǎn)生探求的欲望。后來經(jīng)過大量科學(xué)家實驗的證實，于1785年確定了庫倫定律：。從庫倫定律的發(fā)現(xiàn)經(jīng)過可以看到類比在科學(xué)研究中所起

7、的作用。如果不是萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)，單靠實驗具體數(shù)據(jù)的積累，不知要到何年才能得到嚴(yán)格的庫侖定律的表達式。實際上，整個靜電學(xué)的發(fā)展都是在借鑒和利用引力定律已有成果的基礎(chǔ)上得到的。從下面的年表中可看到概況?，F(xiàn)代宇宙學(xué)關(guān)于宇宙膨脹的假說也用了類比方法。在聲學(xué)中，當(dāng)聲源遠(yuǎn)離觀察者運動時，聲波的頻率減少，這是多普勒效應(yīng)。天文觀察發(fā)現(xiàn)，在一些天體化學(xué)元素的光譜中，光譜線同在地球上被觀察到的這些元素的光譜線相比，移到了光譜的紅端方面，這就是“紅移”現(xiàn)象。表明光波的頻率減少了。與聲波的多普勒效應(yīng)相比，就可以作出天體在遠(yuǎn)離我們而去的推論。因為天文觀察發(fā)現(xiàn)，從四面八方接收到的光波都有“紅移”想象，于是作出了宇宙膨

8、脹的假說。 類比推理法在物理學(xué)史上還有許多例子。伽利略通過人脈搏的跳動類比空中擺動的油燈發(fā)現(xiàn)鐘擺等時性、發(fā)明醫(yī)用脈搏計、糾正亞里斯多德“擺幅小需時少”的說法；惠更斯通過光的傳播類比聲音的傳播創(chuàng)立光的波動學(xué)說、推導(dǎo)出光的反射定律和折射定律、糾正了光的微粒學(xué)說這一片面理論；富蘭克林通過閃電類比萊頓瓶放電把雷電與閃電統(tǒng)一起來發(fā)明了避雷針。歐姆仿照水流的理論說明電流、電壓和電阻的概念，獲得了成功，進一步通過實驗建立了歐姆定律。法拉第從磁力線類比提出了電力線，提出了“場”的概念，成為電磁場理論的麥克斯韋仿照流體力學(xué)方程，建立了電磁場理論的麥克斯韋方程組。他對類比法寫到：“為了不運用物理理論而得到物理思想

9、，就應(yīng)當(dāng)熟悉物理類比的存在。所謂物理類比,是一種科學(xué)定律與另一種科學(xué)定律之間的部分相似性,它使得這兩種科學(xué)可以互相說明。這樣,所有數(shù)學(xué)的科學(xué)都是建立在物理定律和數(shù)的定律的關(guān)系上,因而精密科學(xué)的目的就是要把自然問題簡化為通過數(shù)的運算來確定各個量。 ”“,當(dāng)物理學(xué)深人到研究微觀粒子時,新的現(xiàn)象使舊觀念根深蒂固的人徘徊在科學(xué)大門之外:究竟是波動性? 還是粒子性? 薛定愕卻能在物質(zhì)波的基礎(chǔ)上,用類比法得到了著名的薛定謬力程,奠定了量子力學(xué)大廈的基礎(chǔ)。使物質(zhì)波的理論更為廣泛的流傳。因此,可以說類比方法的運用貫穿于物理學(xué)發(fā)展的始終。 類比方法按對象來區(qū)分有三種：一是局部性質(zhì)的類比，即某個概念或概念的某種性

10、質(zhì)的類比。如水位與電位、力與電動勢、容量與電量、質(zhì)量與電量等等。二是整體間的類比，如電學(xué)與磁學(xué)規(guī)律的類比。三是體系之間的類比，如力學(xué)規(guī)律的類比。3運用類比法應(yīng)注意的問題類比法作為形式邏輯思維的一種方法，她既不用于從特殊到一般的歸納方法，也不用于從一般到特殊的演繹方法。它因受到個例太少，缺乏足夠的研究所限制，無法運用歸納方法或演繹方法，因此無法遵從“特殊到一般，一般到特殊”這個完整邏輯過程的一種簡化。他可以在歸納和演繹無能為力的情況下發(fā)揮其獨特的作用。尤其是在人們剛剛進行探索的科學(xué)前沿陣地和各門學(xué)科相鄰的邊緣領(lǐng)域里發(fā)揮其獨特的作用。類比法是以個別為依據(jù) ，從個別到個別的推理，所得結(jié)論在科學(xué)上還只

11、能是假說，有極大的不確定性。“類”是類似，“比”是推斷、比較，所有類比不是“等于”，不是肯定。推斷部署等于論證，只有當(dāng)類比推理的結(jié)論得到實踐證實后，假說才成為理論。1895年法國天文學(xué)家勒維列發(fā)現(xiàn)水星軌道近日點的進動想象在所有的攝動影響都考慮進去后，仍由無法解釋的偏移。他根據(jù)自己過去從天王星攝動現(xiàn)象語言并發(fā)現(xiàn)海王星的成功經(jīng)驗，將水星軌道進動現(xiàn)象同天王星軌道攝動現(xiàn)象進行類比，認(rèn)為水星與太陽之間一定有一顆不知名的行星。有人提前給這顆不知名的行星取了名字叫“火神星”。自此以后，世界上有很多人把天文望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)“火神星”天區(qū),為發(fā)現(xiàn)“火神星日夜尋覓?？墒菍ふ伊撕芏嗄暌矝]有一個人能發(fā)現(xiàn)“火神星”的影子。最

12、后大家不得不承認(rèn),這一行星根本是不存在的。愛因斯坦廣義相對論建立以后,人們才知道水星軌道近日點的進動原來是一種廣義相對論效應(yīng)。 為了在物理研究中更好地運用類比法,應(yīng)充分注意:在兩個(或多個)對象進行類比時,所根據(jù)的相似屬性越多,以此推測其他屬性相似的可能性就越大;類比所根據(jù)的相似屬性之間的聯(lián)系越緊密,類比推理應(yīng)用也就越有效,推理結(jié)論的可靠性程度也就越大;力戒表面相似卻作膚淺的類比,應(yīng)該以事物本質(zhì)聯(lián)系為依據(jù),充分注意事物之間差異性,才能使新的假說有新的突破,才能有創(chuàng)造性的發(fā)展。因此應(yīng)當(dāng)盡可能找到被比較對象之間本質(zhì)的相似點:使比較的共同屬性是這些對象最典型的屬性,這些屬性同需要研究對象的特殊屬性密切聯(lián)系;被選擇來進行比較的特征應(yīng)當(dāng)具有多樣性,并且應(yīng)當(dāng)是任意地、隨機地選擇出來的。由類比得出的結(jié)論僅僅是一種推測,因此,在任何情況下通過類