試析中學(xué)物理等效思想的“四化”*

鄧少強(qiáng) 盧長津

(廣東省陸豐市東海中學(xué) 廣東 汕尾 516500)

試析中學(xué)物理等效思想的“四化”*

鄧少強(qiáng) 盧長津

(廣東省陸豐市東海中學(xué) 廣東 汕尾 516500)

學(xué)科思想是一個(gè)學(xué)科的核心和靈魂，它在很大程度上決定了學(xué)生知識(shí)的儲(chǔ)備和能力的發(fā)揮，同時(shí)在學(xué)生以后的學(xué)習(xí)、生活和工作中發(fā)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?qū)?fù)雜、陌生的物理問題轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵巍⑹熘奈锢韱栴}，它既是人們解決復(fù)雜問題的有力武器，也是科學(xué)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(yīng)當(dāng)包括物理知識(shí)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(gòu)筑起了物理教育的結(jié)構(gòu)[1].物理思想的激活，有助于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，使學(xué)生初步形成科學(xué)的世界觀和方法論，為學(xué)生終身的學(xué)習(xí)、研究和發(fā)展奠定基礎(chǔ).蘇霍姆林斯基曾說過：“思想好比火星，一顆火星會(huì)點(diǎn)燃另一顆火星”.誰把握住了學(xué)科思想這一精髓和靈魂，誰就能舉重若輕地組織教學(xué)；誰缺乏對學(xué)科思想的把握，誰就只能被迫陷入學(xué)科知識(shí)的汪洋大海之中.

物理教育中蘊(yùn)涵著很多物理思想，其中，等效思想就是物理學(xué)中最重要、最基本的“寶庫鑰匙”之一.等效思想是人們在認(rèn)識(shí)物理事物時(shí)，從等同效果出發(fā)，將其轉(zhuǎn)化為等效、簡單、易于研究事物的過程中凝結(jié)的思想[1].廣為流傳的“曹沖稱象”的故事就是應(yīng)用等效思想的典例，盡管當(dāng)時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)二力平衡、阿基米德原理等物理知識(shí)，但由于具有等效替代的思想意識(shí)，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(fù)雜問題的有力武器，也是科學(xué)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(chǎn)生的作用及效果相同出發(fā)，來研究物理事物的本質(zhì)和規(guī)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(xué)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，不僅是力學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)，還是力學(xué)知識(shí)的核心，同時(shí)也是初高中銜接的重要臺(tái)階.實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)生在比較合力與分力的大小關(guān)系時(shí)容易出錯(cuò)，有的學(xué)生甚至把力的合成理解為幾個(gè)力的簡單合并，把力的分解理解為力的簡單拆分.

在教學(xué)過程中，我們可以通過舉例一個(gè)大人單獨(dú)提起一桶水和兩個(gè)小孩共同提起同一桶水，如圖1(a)所示，讓學(xué)生比較這兩次提起這桶水有什么相同之處，學(xué)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(shí)要求學(xué)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(dǎo)學(xué)生歸納：如果一個(gè)力作用在物體上，它產(chǎn)生的效果和幾個(gè)力共同作用產(chǎn)生的效果相同，這個(gè)力就叫做這幾個(gè)力的合力，而那幾個(gè)力叫做這個(gè)力的分力，合力與分力具有等效替代的關(guān)系.再引導(dǎo)學(xué)生從作用效果相同這一觀點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)具體情況進(jìn)行力的替代，稱為力的合成與分解.

合力與分力概念的教學(xué)就是等效思想的典型應(yīng)用，“等效思想”是本節(jié)教學(xué)的關(guān)鍵.教學(xué)中要明確指出合力與分力雖然沒有同時(shí)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(xué)中起到了提綱挈領(lǐng)的作用，具化了合力、分力等抽象概念，使學(xué)生能輕松掌握物理概念，有效化解了教學(xué)難點(diǎn).還有，在“探究力的合成與分解的方法”時(shí)也必須建立在“等效”的基礎(chǔ)上.

圖1 力的合成與分解情景分析舉例

2 過程等效簡化復(fù)雜的物理過程

物理過程可以分為簡單的過程和復(fù)雜的過程，當(dāng)復(fù)雜的物理過程與簡單的物理過程同時(shí)存在又相互獨(dú)立的時(shí)候，可以用幾種簡單的物理過程來替代復(fù)雜的物理過程，這就是物理過程的等效.

曲線運(yùn)動(dòng)一直是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而運(yùn)動(dòng)的合成與分解恰是研究曲線運(yùn)動(dòng)問題的關(guān)鍵所在.在“運(yùn)動(dòng)的合成與分解”一節(jié)的教學(xué)中，為了使學(xué)生容易理解合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)的概念、合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性，可以增加以下較為直觀的演示實(shí)驗(yàn).取一支試管，在試管里面放置一個(gè)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(fā)現(xiàn)木塊沿AB方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，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(fā)現(xiàn)木塊沿AD方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)；如果木塊沒有固定，在木塊上浮的同時(shí)水平向右勻速平移試管，可以發(fā)現(xiàn)木塊沿APC方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，如圖2(c)所示.從觀察到的現(xiàn)象出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生從運(yùn)動(dòng)的效果進(jìn)行分析得出：一個(gè)物體實(shí)際運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的效果與幾個(gè)不同的運(yùn)動(dòng)共同產(chǎn)生的效果相同，那么木塊沿APC方向的運(yùn)動(dòng)就是木塊沿AB方向和AD方向兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)；根據(jù)等效替代思想，木塊沿AB方向和AD方向的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)可以替代木塊沿APC方向的運(yùn)動(dòng)，即木塊沿AB方向和AD方向的運(yùn)動(dòng)就是APC方向運(yùn)動(dòng)的分運(yùn)動(dòng).

圖2 運(yùn)動(dòng)的合成與分解演示實(shí)驗(yàn)

用等效的思想引入合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)的概念，說明合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)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(gòu)建了新知，并為研究平拋運(yùn)動(dòng)和斜拋運(yùn)動(dòng)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(shí)，把不熟悉或比較復(fù)雜的物理問題情境與比較熟悉的物理問題情境進(jìn)行等效類比，按物理規(guī)律實(shí)質(zhì)尋找等效物理模型的思維方式.

在串并聯(lián)電路的教學(xué)中，有的題目給出的電路較為復(fù)雜，學(xué)生難以理解.如圖3所示，電路由8個(gè)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(shù)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(shù)為多少？

圖3 8個(gè)不同阻值的電阻組成的復(fù)雜電路

這道題如果按常規(guī)方法求解，顯得極其繁瑣，如果我們巧妙地用一個(gè)電阻R0來替代除R1以外的其他7個(gè)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(fù)雜電路問題時(shí)，“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(xué)生建立清晰的物理情境，簡化復(fù)雜的物理過程，又提高了學(xué)生的邏輯思維能力.

4 本質(zhì)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(zhì)和規(guī)律，只要我們掌握了這些本質(zhì)和規(guī)律，就能將一些表面上看來很復(fù)雜的物理問題一舉擊破，消化同質(zhì)不同形的物理事物迷惑，這就是物理本質(zhì)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(xiàn)把該彈簧豎直固定在地面上，將一小環(huán)穿在鋼絲上由靜止開始下滑，忽略整個(gè)過程中彈簧的形變，求環(huán)下滑全程所用時(shí)間t.

圖5 小環(huán)穿在光滑銅絲繞成的均勻的彈簧上靜止下滑

對于這個(gè)問題，我們知道小環(huán)下滑時(shí)，速度和加速度方向時(shí)刻在變化，是一個(gè)復(fù)雜的變速曲線運(yùn)動(dòng)，學(xué)生利用學(xué)過的物理規(guī)律無法直接處理這個(gè)問題，這就需要學(xué)生學(xué)會(huì)建立合理的、最佳的物理情境，巧妙地解決實(shí)際問題.我們可以引導(dǎo)學(xué)生分析小環(huán)下滑時(shí)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(huì)聯(lián)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(diǎn)的切線與水平面均成θ角，故小環(huán)沿彈簧下滑的運(yùn)動(dòng)可等效為小球沿直角三角形斜邊由頂點(diǎn)開始下滑的運(yùn)動(dòng)，如圖6所示，則有

mgsinθ=ma

聯(lián)立解得

圖6 將圖5等效為小球沿光滑斜面下滑的模型

運(yùn)用本質(zhì)等效將小環(huán)沿彈簧下滑的曲線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為沿斜面下滑的直線運(yùn)動(dòng)，把復(fù)雜問題變得簡單、明了，消化了同質(zhì)不同形的物理問題，起到事半功倍的效果，大大提高了學(xué)生分析物理問題和解決實(shí)際問題的能力.

總之，運(yùn)用等效思想，可以將復(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，從而為解決問題提供既簡單又便捷的方法指引，體現(xiàn)了新課程要加強(qiáng)科學(xué)方法教育的理念.中學(xué)物理教學(xué)實(shí)踐證明，通過對學(xué)生思想方法、科學(xué)態(tài)度的熏陶，不僅可以提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，而且能充分挖掘?qū)W生的潛能，促進(jìn)學(xué)生自主、持續(xù)發(fā)展.為此，中學(xué)物理教師要深入挖掘和全面把握物理學(xué)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(xué)物理教學(xué)實(shí)踐有機(jī)結(jié)合起來，優(yōu)化中學(xué)物理課堂教學(xué)，提升課堂教學(xué)效率，促進(jìn)學(xué)生物理思維發(fā)展，全面提升學(xué)生的核心素養(yǎng).

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

2 邢紅軍.高中物理高端備課.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2014.1～5

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

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

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

*廣東省教育科研“十二五”規(guī)劃課題“以學(xué)科思想為導(dǎo)向的教學(xué)策略研究”，項(xiàng)目編號(hào)：2013YQJK219

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

2017-02-18)