等效思想在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用

席友亮

物理思想是物理學(xué)的靈魂，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的同時(shí)，更應(yīng)注意物理思想的學(xué)習(xí)。其中，等效思想是物理學(xué)中最重要、最基本的思想之一。等效思想就是將復(fù)雜的、難于理解的物理現(xiàn)象、物理情境等效化、簡(jiǎn)單化，便于研究物理問(wèn)題。本文主要探討了等效思想在高中物理中的應(yīng)用。

一、物理概念、規(guī)律中的等效思想

不同的物理現(xiàn)象或不同形式的物理情境可能有相似的本質(zhì)和規(guī)律，只要我們掌握了這些本質(zhì)和規(guī)律，就能解決那些看起來(lái)很復(fù)雜的物理問(wèn)題，找出這些現(xiàn)象的本質(zhì)和共性規(guī)律，就形成了物理概念和規(guī)律。

在中學(xué)物理中，平均速度、合力與分力、合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)、重心、質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、總電阻、交流電的有效值、等效電路、等效電源等，都是根據(jù)等效概念引入的知識(shí)點(diǎn)。比如，如果忽略物體大小形狀對(duì)問(wèn)題的影響，就用一個(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)來(lái)等效代替物體，叫質(zhì)點(diǎn)；當(dāng)帶電體遠(yuǎn)離其他帶電體時(shí)，可把物體等效成一個(gè)點(diǎn)電荷；用總電阻可以代替某一部分復(fù)雜的電路；當(dāng)直流和交流在相同時(shí)間內(nèi)讓相同的的電阻產(chǎn)生相同的熱量，那么直流的數(shù)值叫做交流電的有效值。

很多重要的物理規(guī)律也是根據(jù)等效思想提出的，如力的平行四邊形定則是根據(jù)“兩分力的共同作用與合力單獨(dú)作用等效”得出的。

很多物理概念、規(guī)律的提出或發(fā)現(xiàn)，都用到了等效思想，那么在學(xué)習(xí)物理概念和規(guī)律的過(guò)程中，學(xué)生要注意用等效思想去理解這些物理概念和規(guī)律。

二、物理模型中的等效思想

物理模型中的等效思想就是在分析具體的物理情境的過(guò)程中，把不熟悉的物理情境與熟知的物理情境等效類(lèi)比，用熟知的物理模型的研究方法去分析不熟悉的物理情境的思想。

高中物理中有碰撞模型、人船模型、子彈射木塊模型、豎直平面內(nèi)的繩模型和桿模型、平拋模型、等時(shí)圓模型、彈簧振子模型等典型模型。我們可以把具體情境與熟知的模型去類(lèi)比，用等效思想找到方法、思路和規(guī)律。比如，在研究帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)時(shí)，如果帶電粒子垂直進(jìn)入電場(chǎng)，可以與平拋運(yùn)動(dòng)類(lèi)比；如果粒子與電場(chǎng)有夾角，可以與斜拋類(lèi)比，進(jìn)而用我們熟知的解決拋體運(yùn)動(dòng)的方法——運(yùn)動(dòng)的合成與分解——來(lái)分析解決帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。在研究電場(chǎng)、重力場(chǎng)并存，粒子在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以與我們熟知的豎直平面內(nèi)的繩模型、桿模型類(lèi)比，找出等效最高點(diǎn)、等效最低點(diǎn)，使問(wèn)題得以簡(jiǎn)化。在求解某個(gè)變化電阻的最大功率時(shí)，可以把定值電阻與電源合并看作一個(gè)等效電源，這樣就可用內(nèi)外電阻相等時(shí)電源有最大輸出功率這個(gè)模型來(lái)解決了。在研究環(huán)形電流的磁場(chǎng)及運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以與小磁針類(lèi)比，把環(huán)形電流等效成一個(gè)小磁針，同理，可把通電螺線管等效為條形磁鐵。還有受力分析時(shí)的整體法等。以上方法實(shí)際上都用到了物理模型的等效思想。

三、物理解題過(guò)程中的等效思想

高中物理中有些題目涉及的過(guò)程非常復(fù)雜，我們無(wú)法或不必要研究清楚每個(gè)細(xì)節(jié)，只要抓住起始和終了時(shí)刻的狀態(tài)，定性分析過(guò)程，運(yùn)用等效的觀點(diǎn)，把整個(gè)過(guò)程等效為一個(gè)簡(jiǎn)單過(guò)程，從而求解。

比如研究屋檐上雨滴下落的問(wèn)題時(shí)，可把幾滴水在同一時(shí)刻的位置等效為同一滴水在不同時(shí)刻的位置，簡(jiǎn)化問(wèn)題；用動(dòng)量和能量觀點(diǎn)解決某些題目時(shí)，只管初、末狀態(tài)；利用平均速度把一個(gè)變速過(guò)程等效為勻速運(yùn)動(dòng)；在回旋加速器中，把粒子在電場(chǎng)中的多次間斷加速過(guò)程等效為一個(gè)完整的加速過(guò)程；在勻強(qiáng)電場(chǎng)、勻強(qiáng)磁場(chǎng)、重力場(chǎng)中，如果重力與電場(chǎng)力平衡，與只受洛化茲力作用時(shí)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)效果相同等，都用到了物理解題過(guò)程中的等效思想。

四、常用的等效方法

等效思想就是在某種效果相同的前提下，將復(fù)雜的物理問(wèn)題和過(guò)程轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的、易于研究的物理問(wèn)題和過(guò)程。在高中物理中，有三種等效方法。

一是等效替換。通常可以從以下角度進(jìn)行等效替代：研究對(duì)象、物理模型、物理狀態(tài)、物理過(guò)程、物理作用等。如用質(zhì)點(diǎn)代替物體；用兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)替換平拋運(yùn)動(dòng)；屋檐上多個(gè)雨滴下落，可以等效為一個(gè)雨滴的下落；利用平均力把變力做功等效為恒力做功；合力替換分力等。

二是等效類(lèi)比。帶電粒子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)、復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，綜合了電場(chǎng)、磁場(chǎng)、力學(xué)知識(shí)，是高考的熱點(diǎn)，其研究方法與力學(xué)的分析方法基本相同，遵循運(yùn)動(dòng)的合成與分解、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)量及能量等有關(guān)力學(xué)規(guī)律。研究時(shí)就從力和運(yùn)動(dòng)、功能關(guān)系兩個(gè)方向出發(fā)，用等效類(lèi)比，把復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)化。如研究帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，與平拋類(lèi)比，采用運(yùn)動(dòng)的合成與分解法，分解為兩個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)求解；研究粒子在復(fù)合場(chǎng)中做豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)，與力學(xué)中的豎直平面內(nèi)的繩模型、桿模型類(lèi)比，找出物理最高點(diǎn)與物理最低點(diǎn)；研究粒子在復(fù)合場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，與力學(xué)中的勻速圓周運(yùn)動(dòng)類(lèi)比，迅速找出向心力來(lái)源。

三是等效假設(shè)，就是在效果相同的前提下，通過(guò)合理假設(shè)來(lái)解決原本復(fù)雜的問(wèn)題。如常用的割補(bǔ)法，就是采用割或補(bǔ)的方法，將原來(lái)很難分析的問(wèn)題簡(jiǎn)化并分析研究。

等效思想是科學(xué)研究中常用的思維方法之一，其實(shí)質(zhì)都是在效果相同的情況下，簡(jiǎn)化問(wèn)題，便于研究。掌握并應(yīng)用等效思想，體會(huì)其內(nèi)涵，有助于提高物理學(xué)科素養(yǎng)。我們要重視等效思想在高中物理中的應(yīng)用。