試析中學物理等效思想的“四化”*

鄧少強 盧長津

(廣東省陸豐市東海中學 廣東 汕尾 516500)

試析中學物理等效思想的“四化”*

鄧少強 盧長津

(廣東省陸豐市東海中學 廣東 汕尾 516500)

學科思想是一個學科的核心和靈魂，它在很大程度上決定了學生知識的儲備和能力的發揮，同時在學生以后的學習、生活和工作中發揮著重要作用.等效思想就是物理教育中最重要、最基本的思想之一，它能夠將復雜、陌生的物理問題轉變為簡單、熟知的物理問題，它既是人們解決復雜問題的有力武器，也是科學家研究物理問題的慣用思維，還是物理教育中常用的手段.

等效思想 具化概念 簡化過程 知化情境 同化問題

完整意義上的物理教育應當包括物理知識教育、物理方法教育、物理思想教育、物理觀念教育與物理精神教育.它們相輔相成，共同構筑起了物理教育的結構[1].物理思想的激活，有助于提高學生的科學素養，使學生初步形成科學的世界觀和方法論，為學生終身的學習、研究和發展奠定基礎.蘇霍姆林斯基曾說過：“思想好比火星，一顆火星會點燃另一顆火星”.誰把握住了學科思想這一精髓和靈魂，誰就能舉重若輕地組織教學；誰缺乏對學科思想的把握，誰就只能被迫陷入學科知識的汪洋大海之中.

物理教育中蘊涵著很多物理思想，其中，等效思想就是物理學中最重要、最基本的“寶庫鑰匙”之一.等效思想是人們在認識物理事物時，從等同效果出發，將其轉化為等效、簡單、易于研究事物的過程中凝結的思想[1].廣為流傳的“曹沖稱象”的故事就是應用等效思想的典例，盡管當時沒有發現二力平衡、阿基米德原理等物理知識，但由于具有等效替代的思想意識，還是巧妙地解決了無法直接稱量大象的難題.等效思想既是人們解決復雜問題的有力武器，也是科學家研究物理問題的慣用思維，還是物理教育中常用的手段.

1 作用等效具化抽象的物理概念

作用等效替代是指從不同物理事物或同類物理事物的不同形式在某一物理過程中對外界所產生的作用及效果相同出發，來研究物理事物的本質和規律，分析處理物理問題的一種思維方法.

高中《物理·必修1》“力的合成與分解”是高中力學教學的重點和難點，不僅是力學知識的基礎，還是力學知識的核心，同時也是初高中銜接的重要臺階.實踐發現，很多學生在比較合力與分力的大小關系時容易出錯，有的學生甚至把力的合成理解為幾個力的簡單合并，把力的分解理解為力的簡單拆分.

在教學過程中，我們可以通過舉例一個大人單獨提起一桶水和兩個小孩共同提起同一桶水，如圖1(a)所示，讓學生比較這兩次提起這桶水有什么相同之處，學生通過觀察和比較都能說出兩次提水的效果相同：都把同一桶水提起來了.此時要求學生在草稿紙上畫出兩次人對水桶的作用力的示意圖，如圖1(b)所示，引導學生歸納：如果一個力作用在物體上，它產生的效果和幾個力共同作用產生的效果相同，這個力就叫做這幾個力的合力，而那幾個力叫做這個力的分力，合力與分力具有等效替代的關系.再引導學生從作用效果相同這一觀點出發，根據具體情況進行力的替代，稱為力的合成與分解.

合力與分力概念的教學就是等效思想的典型應用，“等效思想”是本節教學的關鍵.教學中要明確指出合力與分力雖然沒有同時作用在物體上，但由于它們在“作用效果上”相同，所以是可以“相互替代”的.等效思想在教學中起到了提綱挈領的作用，具化了合力、分力等抽象概念，使學生能輕松掌握物理概念，有效化解了教學難點.還有，在“探究力的合成與分解的方法”時也必須建立在“等效”的基礎上.

圖1 力的合成與分解情景分析舉例

2 過程等效簡化復雜的物理過程

物理過程可以分為簡單的過程和復雜的過程，當復雜的物理過程與簡單的物理過程同時存在又相互獨立的時候，可以用幾種簡單的物理過程來替代復雜的物理過程，這就是物理過程的等效.

曲線運動一直是高中物理教學的重點和難點，而運動的合成與分解恰是研究曲線運動問題的關鍵所在.在“運動的合成與分解”一節的教學中，為了使學生容易理解合運動與分運動的概念、合運動與分運動的獨立性，可以增加以下較為直觀的演示實驗.取一支試管，在試管里面放置一個小木塊，再裝滿水，然后用橡皮塞塞住管口，如圖2(a)所示.如果把試管倒置，讓試管靜止，可以發現木塊沿AB方向做勻速直線運動，如圖2(b)所示；如果事先把木塊固定在橡皮塞處，只是向右勻速平移試管，可以發現木塊沿AD方向做勻速直線運動；如果木塊沒有固定，在木塊上浮的同時水平向右勻速平移試管，可以發現木塊沿APC方向做勻速直線運動，如圖2(c)所示.從觀察到的現象出發，引導學生從運動的效果進行分析得出：一個物體實際運動產生的效果與幾個不同的運動共同產生的效果相同，那么木塊沿APC方向的運動就是木塊沿AB方向和AD方向兩個運動的合運動；根據等效替代思想，木塊沿AB方向和AD方向的兩個運動可以替代木塊沿APC方向的運動，即木塊沿AB方向和AD方向的運動就是APC方向運動的分運動.

圖2 運動的合成與分解演示實驗

用等效的思想引入合運動與分運動的概念，說明合運動與分運動是可以替代的，凸顯化繁為簡、化難為易的作用，既激活了思維，又構建了新知，并為研究平拋運動和斜拋運動做好了鋪墊.

3 模型等效知化未知的物理情境

所謂物理模型的等效替代是指在分析具體的物理問題情境時，把不熟悉或比較復雜的物理問題情境與比較熟悉的物理問題情境進行等效類比，按物理規律實質尋找等效物理模型的思維方式.

在串并聯電路的教學中，有的題目給出的電路較為復雜，學生難以理解.如圖3所示，電路由8個不同阻值的電阻組成，已知R1=12 Ω，其余電阻阻值未知，若在A，B間加上12 V的電壓，電流表的示數為3 A；今將R1換成6 Ω的電阻，在所加電壓不變的情況下，電流表的示數為多少？

圖3 8個不同阻值的電阻組成的復雜電路

這道題如果按常規方法求解，顯得極其繁瑣，如果我們巧妙地用一個電阻R0來替代除R1以外的其他7個電阻，即原電路可以等效于圖4的電路，問題就迎刃而解了.

在研究復雜電路問題時，“等效電路”和“等效電阻”的引入，突出了問題的主要因素，忽略了次要因素，既能幫助學生建立清晰的物理情境，簡化復雜的物理過程，又提高了學生的邏輯思維能力.

4 本質等效同化不同的物理問題

物理事物與其他事物不同，一些不同形式的同一物理事物或者不同的物理事物都具有極其相同的本質和規律，只要我們掌握了這些本質和規律，就能將一些表面上看來很復雜的物理問題一舉擊破，消化同質不同形的物理事物迷惑，這就是物理本質的等效.

如圖5所示，把長為L的光滑鋼絲均勻繞成高為h的彈簧，現把該彈簧豎直固定在地面上，將一小環穿在鋼絲上由靜止開始下滑，忽略整個過程中彈簧的形變，求環下滑全程所用時間t.

圖5 小環穿在光滑銅絲繞成的均勻的彈簧上靜止下滑

對于這個問題，我們知道小環下滑時，速度和加速度方向時刻在變化，是一個復雜的變速曲線運動，學生利用學過的物理規律無法直接處理這個問題，這就需要學生學會建立合理的、最佳的物理情境，巧妙地解決實際問題.我們可以引導學生分析小環下滑時只受重力和鋼絲支持力，始終與速度方向垂直的支持力只改變速度方向，改變速度大小的是重力沿鋼絲切線方向的分力.這樣一分析，便會聯想到滑塊沿光滑斜面下滑的模型，所以可將彈簧保持原傾角展開變成等效斜面模型，從展開過程可知鋼絲上各點的切線與水平面均成θ角，故小環沿彈簧下滑的運動可等效為小球沿直角三角形斜邊由頂點開始下滑的運動，如圖6所示，則有

mgsinθ=ma

聯立解得

圖6 將圖5等效為小球沿光滑斜面下滑的模型

運用本質等效將小環沿彈簧下滑的曲線運動轉化為沿斜面下滑的直線運動，把復雜問題變得簡單、明了，消化了同質不同形的物理問題，起到事半功倍的效果，大大提高了學生分析物理問題和解決實際問題的能力.

總之，運用等效思想，可以將復雜的物理問題和物理過程轉化為等效的、簡單的、易于研究的物理問題和物理過程，從而為解決問題提供既簡單又便捷的方法指引，體現了新課程要加強科學方法教育的理念.中學物理教學實踐證明，通過對學生思想方法、科學態度的熏陶，不僅可以提高學生分析問題和解決問題的能力，而且能充分挖掘學生的潛能，促進學生自主、持續發展.為此，中學物理教師要深入挖掘和全面把握物理學科涉及到的各種物理思想，探究滲透物理思想的最佳策略，將物理思想與中學物理教學實踐有機結合起來，優化中學物理課堂教學，提升課堂教學效率，促進學生物理思維發展，全面提升學生的核心素養.

1 邢紅軍，張抗抗.論物理思想的教育價值及其啟示.教育科學研究，2016(8):61～68

2 邢紅軍.高中物理高端備課.北京：中國科學技術出版社，2014.1～5

3 魯世明.等效思想在高中物理新課程教學中的應用探討.湖南中學物理，2012(5):4～6

4 鄧少強.高中物理教學中四種常用思想方法探析.中學教學參考，2016(20):70～71

5 盧長津.物理思想方法在中考中的體現與教學策略.中學教學參考，2017(2):56～57

*廣東省教育科研“十二五”規劃課題“以學科思想為導向的教學策略研究”，項目編號：2013YQJK219

鄧少強(1968- )，男，中教高級，廣東省汕尾市陸豐市高中物理學科帶頭人，主要從事高中物理教學與研究.

2017-02-18)