等效思想在高中物理實(shí)際中的應(yīng)用

王欣華河北省饒陽中學(xué)

等效思想在高中物理實(shí)際中的應(yīng)用

王欣華
河北省饒陽中學(xué)

等效思想其實(shí)在古代已有重要的應(yīng)用，例如：曹沖稱象；到了近代，它在物理學(xué)中已成了人們研究問題最重要的的基本思想之一。其實(shí)質(zhì)為“等效替代”就是在效果相同的情況下，將實(shí)際的、復(fù)雜的物理問題和物理過程轉(zhuǎn)化為等效的、簡單的、易于研究的物理問題和物理過程來研究和處理的方法，以便更容易的抓住問題的本質(zhì)，找出其中規(guī)律。現(xiàn)在，對于高中學(xué)生來說，等效思想和方法已經(jīng)成為一種迅速解決物理問題的有效手段。下面我結(jié)合幾個實(shí)際問題談?wù)劦刃枷朐诟咧形锢斫忸}中的實(shí)際應(yīng)用。

一、等效思想在力的合成與分解中的應(yīng)用

例1、“研究共點(diǎn)力的合成”的實(shí)驗(yàn)情況如圖甲所示，其中A為固定橡皮筋的圖釘，O為橡皮筋與細(xì)繩的結(jié)點(diǎn)，OB和OC為細(xì)繩，圖乙是在白紙上根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果畫出的圖示。

（1）本實(shí)驗(yàn)采用的主要科學(xué)方法是（）

A.理想實(shí)驗(yàn)法

B.等效替代法

C.控制變量法

D.建立物理模型法

（2）合力與分力共同的效果是。

解析：本實(shí)驗(yàn)采用的主要科學(xué)方法是等效替代法；使橡皮筋在相同的方向上伸長相同的長度。

本題分力和合力在使橡皮筋在相同的方向上伸長相同的長度即等效的基礎(chǔ)上可以相互替代。

二、等效思想在運(yùn)動的合成與分解中的應(yīng)用

例2、實(shí)例分析：繩拉小船的問題

已知人在岸上通過繩子拉小船，已知人的速度為v0，某時(shí)刻繩與水平成θ角，求該時(shí)刻小船的速度v？

解析：繩拉小船的運(yùn)動，要按實(shí)際效果進(jìn)行分解.如圖甲所示，小船運(yùn)動的合速度v，可看成由兩個分速度合成：一是沿繩方向的速度v1，其效果是使繩拉長或縮短，二是垂直于繩方向的速度v2，使繩繞一端點(diǎn)擺動，不改變繩長，只改變擺動的夾角θ.分解矢量圖如圖乙所示。

本題通過分運(yùn)動與合運(yùn)動的等效性將合運(yùn)動分解，找到合運(yùn)動與分運(yùn)動的關(guān)系從而求解。

教師必須具備淵博的生物學(xué)知識和敏銳地關(guān)注生物學(xué)發(fā)展的動態(tài)能力，從而成為中學(xué)生認(rèn)為的生物學(xué)方面的專家。這樣，學(xué)生會產(chǎn)生強(qiáng)烈的興趣，能夠有意識或無意識地投入到生物學(xué)的學(xué)習(xí)中，并積極探討生物方面的有關(guān)內(nèi)容。例如，教師補(bǔ)充生物教科書所涉及的如生物知識的當(dāng)前熱點(diǎn)——克隆、轉(zhuǎn)基因等。具備淵博生物學(xué)知識的教師應(yīng)成為學(xué)生的偶像，樹立了權(quán)威形象，能更好地暗示學(xué)生。當(dāng)然，生物教師的知識結(jié)構(gòu)和個人素質(zhì)存在差異，不必也不可能對生物學(xué)有全面的了解。另外，教師的另一要求是崇高的人格魅力，即平等對待學(xué)生，敢于承認(rèn)自己不足和錯誤的態(tài)度，不斷進(jìn)取和奉獻(xiàn)的生物教學(xué)精神，使學(xué)生無對抗、無批判、無抵制地接受教師的暗示。

三、依托等效替代法的思想設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

例3、在“測定電源電動勢和內(nèi)阻”的實(shí)驗(yàn)中，除待測電源（E、r），足夠的連接導(dǎo)線外，實(shí)驗(yàn)室僅提供：一只量程合適的電流表A，

一只電阻箱R，一個開關(guān)S.

（1）畫出實(shí)驗(yàn)原理圖.

（2）寫出用測量值表示的電源電動勢E和內(nèi)阻r的表達(dá)式，并注明式中各物理量的含義.

解析（1）

（2）由歐姆定律E＝I（R＋r）可知，測出兩組電阻箱的不同值及其對應(yīng)的電流，由E＝I1（R1＋r），E＝I2（R2＋r）可得：

式中I1、I2是電阻箱分別取R1和R2時(shí)電流表讀數(shù).

四、等效思想在“驗(yàn)證動量守恒定律”實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

例4、入射球與被碰球半徑相同。

實(shí)驗(yàn)裝置如右圖所示。先不放B球，使A球斜槽上某一固定點(diǎn)C由靜止?jié)L下，落到位于水平地面的記錄紙上留下痕跡。再把B球靜置于水平槽前端邊緣處，上A球仍從C處靜止?jié)L下，A球和B球碰撞后分別落在記錄紙上留下各自落點(diǎn)的痕跡。記錄紙上的O點(diǎn)是垂錘所指的位置，M、P、N分別為落點(diǎn)的痕跡。未放B球時(shí)，A球落地點(diǎn)時(shí)記錄紙上的P點(diǎn)。

釋放多次后，取各落點(diǎn)位置的平均值，測得各落點(diǎn)痕跡到O點(diǎn)的距離：OM=13.10cm，OP=21.90cm，ON=26.04cm。用天平稱得入射小球A的質(zhì)量m1=16.8g，被碰小球B的質(zhì)量m2=5.6g，若將小球質(zhì)量與水平位移的乘積作為“動量”，也就是可以將表達(dá)式m1v1=m1v1′+m2v2′轉(zhuǎn)化為m1OP=m1OM+m2ON來進(jìn)行驗(yàn)證，其中OP、OM、ON為小球平拋的水平位移?？梢赃M(jìn)行這種轉(zhuǎn)化的依據(jù)是。

解析：小球在空中水平方向都做勻速直線運(yùn)動，又因?yàn)閺耐桓叨绕綊仯\(yùn)動時(shí)間相同，所以水平位移與初速度成正比，可以用水平位移代替速度，通過驗(yàn)證式子m1OP=m1OM+m2ON是否成立來等效驗(yàn)證m1v1=m1v1′+m2v2′即動量是否守恒。這實(shí)際是一種等效替代。

等效思想是科學(xué)研究中常用的思維方法之一。掌握等效方法及應(yīng)用，體會物理等效思想的內(nèi)涵，有助于提高考生的科學(xué)素養(yǎng)，初步形成科學(xué)的世界觀和方法論，為終身的學(xué)習(xí)、研究和發(fā)展奠定基礎(chǔ)。