淺談中學物理中等效替代思想的應用形式

夏建兵

自然界物質的構成、運動及相互作用是極其復雜的,但它們之間存在各種各樣的等同性,為了認識復雜事物的物理本質,我們往往從事物的等同效果出發,將其轉化為等效的、簡單的、易于研究的物理事物,這種方法成為等效替代的方法。按等同效果的形式不同,可將其分為模型等效代替、過程等效代替、作用等效代替、本質等效代替。

一、模型等效代替。

在物理學研究及解決問題的過程中,我們常以簡單的、易于研究的模型來代替復雜的物理客體,這種方法叫模型等效替代法。模型等效替代法又可以分成三種。

1.通過抽象、概括等思維過程形成理想模型來代替實際客體

如質點、單擺、彈簧振子、理想氣體、點電荷、點光源、線光源等。當然這種處理是在一定條件下,一定精度范圍內的一種替代,隨著條件和要求精度的變化,這些模型也要隨之變化,從而更好地體現實際客體的真實屬性。如當實際氣體不能當作理想氣體時,可以把它當作范氏氣體模型來處理。當然高中物理為降低難度,沒有不涉及這種修正。

2.實物模型來代替實際客體

例如,為了對某種難以直接測量的對象進行測量,可以制成與研究對象具有一定相似關系的模型,通過對模型的測量,了解原型的某些屬性,在物理學中經常制成發電機模型、內燃機模型、電動機模型、回旋加速器模型、質譜儀模型等來模擬實際發電機、內燃機、電動機、回旋加速器、質譜儀的工作過程,從而使學生更好地了解其工作原理。

3.理論模型對微觀粒子客體的替代

例如,核式結構模型來代替原子;波粒二象性模型可代替光和實物粒子,表征光和實物粒子的特征等等。

二、過程等效替代

用一種或幾種簡單的過程來代替一種復雜的過程的方法。主要表現在兩個方面。

1.用理想過程等效代替實際過程

例如,在研究自由落體和拋體運動的時候,我們忽略了空氣阻力、風速、風向、拋體的轉動等影響。用準靜態過程等效代替實際的熱力學過程;用等溫過程等效代替熱力學系統溫度近似不變的過程。

2.用一種或幾種簡單的過程代替一種復雜的過程

例如,“平均速度”概念的引入,就是把變速運動等效為勻速運動,從而把復雜的變速運動轉化為簡單的勻速運動來處理。又如,對曲線運動的研究,我們將其分解為等效的直線運動,逐個研究這些直線運動的規律,然后再將其合成為曲線運動。如平拋運動可以分解為水平方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動的合成。當然在用幾個簡單過程代替復雜過程時,幾個簡單過程必須滿足獨立,互不影響的原則。

三、作用等效替代

看似不同的物理作用過程卻對外界產生相同的作用效果時的替換。

1.矢量在合成和分解中的替換

如力的“合成”與“分解”概念的建立;在電磁學中,幾個帶電體所產生的電場對一個電荷的作用,相當于每一個帶電體單獨存在時對該電荷作用的矢量和。當然合磁場和分磁場之間也可以進行等效替換,但此時的替換均不能考慮兩個分矢量之間的相互影響。

2.標量之間的等效作用替換

如等效電阻的計‘算問題,串聯電路的總電阻等于各個電阻之和,并聯電路的總電阻的倒數等于各個分電阻的倒數之和。交流電流的有效值的提出,也用到交流電作用的熱效果與直流電產生的熱效果相同的特點進行替換。熱力學第一定律的建立,也是基于做功和熱傳遞在改變物體內能方面的作用效果相同的特點。另外在等效電源、等效電路、探究黑箱問題時,都用到了這種作用等效替換。

四、本質的等效替換

不同物理事物或同一物理事物的不同形式以及其規律或表述在本質上相同為基礎而進行的等效代替的思想方法。

某一定律各種表述之間的等效替換。例如,熱力學第二定律是熱力學中一個很重要的宏觀規律,它有多種表述,其中最著名的為開爾文表述:不可能從單一熱源吸取熱量,使之完全變為有用的功而不引起其他變化(或第二類永動機是不可能制成的)。克勞修斯表述:熱量不可能自動地從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。可以證明這兩種表述是等價的。開爾文表述的實質:功變熱的過程是不可逆的;克勞修斯表述的實質是熱傳導的過程是不可逆的。但不管怎樣表述均具有共同的本質:一切與熱現象有關的實際的宏觀過程是不可逆的。當然,電磁學中的楞次定律也可以從磁場方向的角度,從相對運動的角度,從能量的角度去描述。所以,在解決物理問題時,可具體情況任選一種表述。

最后指出,等效代替的方法不僅是物理學中一種很重要的思維方法,而且是控制論中功能模擬方法的基礎。但在具體處理物理問題時,要視具體情況而定,同時,其結論的正確性也需要由實驗去驗證。

參考文獻:

1.胡航,《淺談在教學中如何培養學生物理等效思維能力》[J],《桂林師范高等專科學校學報》,2003,06

2.陳廷俠; 陳玉新,《物理學方法在物理學教學中的意義》[J],《新鄉師范高等專科學校學報》,2003,03