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)物理知識的同時，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、簡單化，便于研究物理問題。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很復(fù)雜的物理問題，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、合運動與分運動、重心、質(zhì)點、點電荷、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點。比如，如果忽略物體大小形狀對問題的影響，就用一個有質(zhì)量的點來等效代替物體，叫質(zhì)點；當(dāng)帶電體遠離其他帶電體時，可把物體等效成一個點電荷；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程中，把不熟悉的物理情境與熟知的物理情境等效類比，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電場中的偏轉(zhuǎn)時，如果帶電粒子垂直進入電場，可以與平拋運動類比；如果粒子與電場有夾角，可以與斜拋類比，進而用我們熟知的解決拋體運動的方法——運動的合成與分解——來分析解決帶電粒子在磁場中的運動。在研究電場、重力場并存，粒子在豎直平面內(nèi)做圓周運動時，可以與我們熟知的豎直平面內(nèi)的繩模型、桿模型類比，找出等效最高點、等效最低點，使問題得以簡化。在求解某個變化電阻的最大功率時，可以把定值電阻與電源合并看作一個等效電源，這樣就可用內(nèi)外電阻相等時電源有最大輸出功率這個模型來解決了。在研究環(huán)形電流的磁場及運動時，可以與小磁針類比，把環(huán)形電流等效成一個小磁針，同理，可把通電螺線管等效為條形磁鐵。還有受力分析時的整體法等。以上方法實際上都用到了物理模型的等效思想。

三、物理解題過程中的等效思想

高中物理中有些題目涉及的過程非常復(fù)雜，我們無法或不必要研究清楚每個細(xì)節(jié)，只要抓住起始和終了時刻的狀態(tài)，定性分析過程，運用等效的觀點，把整個過程等效為一個簡單過程，從而求解。

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

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)雜的物理問題和過程轉(zhuǎn)化為簡單的、易于研究的物理問題和過程。在高中物理中，有三種等效方法。

一是等效替換。通?？梢詮囊韵陆嵌冗M行等效替代：研究對象、物理模型、物理狀態(tài)、物理過程、物理作用等。如用質(zhì)點代替物體；用兩個直線運動替換平拋運動；屋檐上多個雨滴下落，可以等效為一個雨滴的下落；利用平均力把變力做功等效為恒力做功；合力替換分力等。

二是等效類比。帶電粒子在電場、磁場、復(fù)合場中的運動問題，綜合了電場、磁場、力學(xué)知識，是高考的熱點，其研究方法與力學(xué)的分析方法基本相同，遵循運動的合成與分解、牛頓運動定律、動量及能量等有關(guān)力學(xué)規(guī)律。研究時就從力和運動、功能關(guān)系兩個方向出發(fā)，用等效類比，把復(fù)雜問題簡化。如研究帶電粒子垂直進入勻強電場中運動，與平拋類比，采用運動的合成與分解法，分解為兩個方向的直線運動來求解；研究粒子在復(fù)合場中做豎直平面內(nèi)的圓周運動，與力學(xué)中的豎直平面內(nèi)的繩模型、桿模型類比，找出物理最高點與物理最低點；研究粒子在復(fù)合場中做勻速圓周運動，與力學(xué)中的勻速圓周運動類比，迅速找出向心力來源。

三是等效假設(shè)，就是在效果相同的前提下，通過合理假設(shè)來解決原本復(fù)雜的問題。如常用的割補法，就是采用割或補的方法，將原來很難分析的問題簡化并分析研究。

等效思想是科學(xué)研究中常用的思維方法之一，其實質(zhì)都是在效果相同的情況下，簡化問題，便于研究。掌握并應(yīng)用等效思想，體會其內(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。