传热学与电学问题的迁移类比研究:(1)理论基础

李元,王晨,张冠军

(1.西安交通大学电气工程学院,710049,西安; 2.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,710049,西安)

根据人类和生物界的学习心理,在认知新的概念时,常常会通过既有知识,借助熟悉的、与之相似的经验来理解新知识。例如,在理解电路的过程中,可以将电路与水管通路进行类比学习,二者的结构与功能存在许多相似之处,如图1所示。电池的作用类似于水泵提供动力源,灯泡发光类似于水车转动消耗回路能量,开关类似水阀,电流表类似水流计等。将熟知的水压形成水流的原理迁移到电路,有助于理解电流的产生与流动过程。

(a)直流电路

(b)水管通路图1 电路与水管通路的类比思想Fig.1 Analogy between a circuit and a water pipe route

上述应用到迁移类比的逻辑认知方法,即根据两个对象在某些方面的相同或相似性,推导、探索二者在其他方面的相同与相似性[1]。迁移类比法在认知与解决学科间相似问题上有很多成功应用,例如,牛顿将天体运动与自由落体运动进行类比发现了万有引力定律;卢瑟福将原子结构与太阳系类比论证了电子绕原子核旋转运动;麦克斯韦将电学中的势与流体的压力类比推导出电场强度的计算公式;欧姆将电的流动与热的流动类比,在傅里叶定律的基础上提出了欧姆定律[2]。从科学发展史可以看出,不断探索不同学科间的共性规律推动了许多学科的交叉发展。

自然界和生产技术中普遍存在热量传递现象,传热学是研究热量传递规律的学科[3],传热理论在冶金、建筑、航天和电气等领域广泛应用。……