注重科學思維培養提升學科核心素養

鄧曉香 范成法

摘? ?要：科學思維培養是一個過程，實例分析需要進行繁簡的比較，領悟科學思維的重要性;等效替代思維方法需要專題的培養，提升物理學科的核心素養;綜合試題演練，將等效替代方法提高到一個更高的思維高度，巧妙解決物理難題。

關鍵詞：科學思維;等效替代;核心素養

高三物理復習的過程，就是準確理解物理概念，嫻熟地掌握并應用物理定理和物理定律，建立起物理知識的網絡構架，通過知識間的融合建立起物理模型，更要培養物理學科嚴謹的科學思維方法。物理科學思維能力是高中物理核心能力之一，高中物理的思維方法有很多，其中，等效替代思維也是一種常用而典型能化繁為簡的思維方法。高中物理中的等效代替有四種基本形式：模型等效、過程等效、作用等效及本質等效[ 1 ]，但不論哪一種形式，在物理性質上效果相同，可以相互替代，這樣就可以將一個繁雜的物理過程簡單化，達到化難為易的目的。本文僅對在高三物理復習的教學過程運用等效替代思維方法談點教學心得。科學思維方法培養是一個長期的過程，為領悟科學思維的重要性，實例分析需要繁簡方法的比較;為更好地掌握、鞏固、靈活應用等效替代的方法，需專題復習進行等效替代思維方法的培養，提升物理學科的核心素養;利用綜合試題分析演練時，將等效替代方法提高到一個更高的思維高度，巧妙解決物理難題。

1? 繁簡比較? 科學思維領悟很重要

為了能讓學生更好地理解、領悟等效替代方法在高中物理解題中的重要作用，以及形成良好的等效替代的思維方法，除了要講透思維方法外，還要通過實例進行繁雜的常規解題方法和簡潔的等效替代方法的解題比較，讓學生親歷、領悟養成良好的思維習慣是解決高中物理問題的關鍵。

在變壓器定量計算的問題分析中，常見典型模型化問題如圖1：電源輸入電壓U0不變，變壓器的輸入端連接一個定值電阻R1，則當滑動變阻器R的阻值（負載發生變化）為多少時，變壓器的輸出功率最大。因在變壓器中的輸入端與輸出端的電流、電壓和電功率相互制約，如果學生沒有掌握分析問題的思維方法，此類問題將無從下手，為了更好地讓學生領悟等效替代的思維方法，先進行常規數學方法計算。

運用數學方法、通過從電源往右看的電阻等效法、從負載往左看的電源等效法的分析，讓學生較深入理解從等同效果出發，將其復雜過程轉化為簡單的、易于研究的方法，叫等效替代法，并且，明確等效替代前后間的物理量等效關系，也可作為二次結論加以應用。

2? 專題復習? 核心素養提高是關鍵

高中物理的核心素養分為物理觀念、科學思維、實驗探究和科學態度與責任四部分[ 2 ]，其中，科學思維是對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式，是對客觀認識構建模型的抽象概括，進行分析綜合、推理論證的過程，并且提出創造性見解的能力與品質。

復合場是物理高考的一個熱點，也是一個能很好地考查綜合分析能力的難點，通過多個由簡單到較綜合的復合場實例分析，能很好地培養等效替代思維方法，提高核心素養。

如圖4，傾角為α的光滑斜面放置在水平向右的勻強電場E中，一質量為m的帶電小球，以速度沿斜面勻速下滑。小球在斜面上運動一段時間后撤去斜面，求再經過t時間，帶電小球通過的位移？

受力分析如圖4，重力與電場力都是恒力，其合力是恒力，因小球做勻速運動可知小球的帶電性質及帶電量;當運動一段時間后，撤去斜面，小球受重力和電場力的作用，且是恒力，等效為小球只受一個恒力的作用，可以稱為等效重力，因此，小球做類平拋運動，根據類平拋運動中合運動與分運動的等效性和獨立性，可求其位移。

如圖5，一長度為L的細繩上端固定，下端系一帶電小球，將其置于水平向右的勻強電場中，場強大小為E。已知當細線偏離豎直位置的夾角為α時，小球處于平衡狀態，如果使細線的偏轉角由α增大到β，然后將小球由靜止開始釋放，則：（1 ）β應為多大才能使在細線到達豎直位置時小球的速度恰好為零？（2 ）若α<50，那么（1）問中帶電小球由靜止釋放至到達豎直位置需要多少時間？

分析引導，受力分析，當夾角為α時小球處于平衡狀態，即為機械振動中的平衡位置，重力與電場力合力是一個恒力，等效為重力，因此，圖中的N與M是機械振動的等效兩個端點，故當β=2α時，小球達到N點時速度恰好為零。當α<50時，滿足簡諧運動的條件，其時間即為簡諧運動的半個周期，其等效重力加速度為g'=，可得t==2π=2π。

在如圖6，光滑絕緣的圓形軌道豎直放置在場強大小為E，方向水平向右的電場中，圓的半徑為R，在其最低點給A處放置一個質量為m的電荷量為q的帶正電小球，現給m一個水平方向的初速度，使小球恰好能做完整的圓周運動，求初速度的最小值及小球受到的最大支持力。

同樣引導分析可知，其重力與電場力是一個恒力，為等效為重力，如圖中的B點為等效最低點，C點為等效最高點，要恰好完成完整的圓周運動，等效最高點要有最小速度vmin=。

在復合場中，用等效替代的思維將復合場轉為等效重力場，將恒定合力轉為為等效重力及等效重力加速度，可以將復雜的復合場問題轉化為簡單的（等效）重力場問題。通過專題實例分析滲透等效替代的思維，提高了學生綜合分析解決物理問題的能力，專題復習的過程是一個能很好地提升學生核心能力的過程。

3? 思維提升 巧妙解答難題有突破

通過系統化的復習，建立起了等效替代的思維方法，但要熟練地掌握并應用等效替代的方法解決物理問題，甚至是物理難題，還要有綜合性的物理試題演練，將物理思維提升到一個更高的層次，就能巧妙地解答物理難題。

如圖7，xoy平面有磁感應強度大小為B，方向垂直紙面向外;同時，在xoy平面內有一個沿 y軸正方向的勻強電場，場強大小為E;點P（L，0）處有一粒子源，可向各個方向發射速率不同，電荷量為q、質量為m的帶負電粒子;現假如粒子是以速率v沿y軸正向發射，求在粒子運動過程中其最小速率vmin。（不考慮粒子的重力）

這一題是某次質檢的綜合題，此處略去第（1）、（2）問中的常規思維題，分析一下第（3）問中的思維提升問題，帶電粒子在正交的勻強電場和勻強磁場中運動，因所受洛倫茲力與電場力不平衡，。電場力恒定，而倫茲力大小方向都在發生變化，則合力的大小和方向都在發生變化，粒子在其中做的是復雜的曲線運動。

思維提升引導：利用合運動與分運動的等效替代性，如果將帶電粒子的初速度v進行等效的分解，即將帶電粒子的運動等效為沿某一方向的勻速運動和沿某一時針方向的勻速圓周運動的合運動，則兩分速度的方向相反時，合速度達到最小。即將v分解為水平向右的分速度v1，且滿足qv1B=qE，則帶電粒子就在水平向右方向做勻速直線運動，速度大小為v1=而另一個分速度v2=如圖7，即另一個分運動是以v2為線速度的勻速圓周運動，當勻速圓周運動的線速度v2向左時，其合速度最小即vmin=v2-v1。

巧妙在速度分解為水平向右的分速度v1。使得電場力與洛侖茲力的一個分力平衡， 洛侖茲力的另一個分力提供勻速圓周運動的向心力。將這一運動等效為水平方向的勻速運動與v2的勻速圓周運動，解決復雜的曲線運動問題等效為兩個常見分運動的簡單問題。

總之，通過實例引導分析等效替代思維方法的復習教學，讓學生清晰認識到，利用等效替代的思想可將復雜的實際問題變換為簡單的模型，抓住問題的本質，以少代多，以簡代繁，以定代變，實現以易取難，達到更好地解決物理問題的目的。進一步讓學生理解和領悟這種思想，并將其推廣應用到高三物理復習的其它思維方法中，提高物理學科的核心素養。

參考文獻：

[1]蔡益浩.用等效替代法培養學生創新思維[J].實驗教學研究， 2008（4）：25-26.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準[S].濟南：山東科學技術出版社，2017.