“等效法”在高中物理教學中的應用及策略探討

【摘 要】物理思想方法是物理學科的重要培養(yǎng)對象。物理知識是顯性的、具體的，而物理思想方法是隱性的、抽象的?！暗刃Хā笔俏锢硭枷敕椒ㄖ兄匾姆椒ㄖ?，具有隱蔽性高、適用范圍廣的特點，給教師的教學和學生的學習與應用帶來很大的困難。文章對“等效法”的概念進行了界定，并論述了其在高中物理教學中的作用和策略。

【關鍵詞】物理模型;等效概念;等效法;等效過程

【作者簡介】安磊，柳州鐵一中學物理教研組長，一級教師，主要研究方向為高中物理教學。

科學思維是物理學科核心素養(yǎng)的重中之重，是物理觀念、科學探究、科學態(tài)度與責任的基礎與內(nèi)核。物理課程設置、教學實施應以提高和發(fā)展學生的科學思維為核心。[1]物理思想方法是物理學科的靈魂，是物理學科區(qū)別于其他學科的標志，也是培養(yǎng)學生科學思維的具體路徑。“等效法”作為物理思想方法中重要的方法之一，其既是高中物理教學的重點也是難點。本文從“等效法”概念的界定、“等效法”在認識高中物理的作用等方面探討“等效法”教學的策略。

一、“等效法”概念的界定

“等效法”指在保證效果相同的前提下，將陌生的、復雜的、難處理的問題轉換成熟悉的、容易的、易處理的一種科學思維方法[2]。自然界物質的運動、構成及相互作用過程中存在各種各樣的等同性，比如，某個物理量、物理規(guī)律、物理模型等可以等同于學生熟悉的其他事物，從而為問題解決提供簡單、便捷的方法指引。教師在教學中要明晰等效的是哪個物理量、物理規(guī)律、物理模型等，為學生提供有效的指導，幫助學生更好地理解物理知識。

二、“等效法”在高中物理教學中的應用及策略

物理學的研究多數(shù)是對模型的研究，可以將實際物體、實際問題簡化為簡單直觀的理論模型，使得理論模型在一定程度上跟實際物體、實際問題有著等效的作用。高中物理中經(jīng)常利用等效的思想來定義物理概念，研究物理規(guī)律，描述物理現(xiàn)象等。

（一）利用“等效法”具化抽象概念

物理概念往往比較抽象，其內(nèi)涵及外延均比較難理解，相當多的物理概念在定義過程中就利用了“等效法”，將復雜的過程轉化為較為明晰的概念來描述。比如，對于人教版高中物理必修第一冊（2019年版）“力的合成和分解”的教學，教師通常將這節(jié)課的重點放在合成與分解的數(shù)學運算上，對合力、分力的概念一帶而過，缺乏概念生成的過程，學生不了解其物理含義，只是將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，因此在后面的合運動和分運動學習中很容易出錯。

教師在教學中可以設置具體的實際情境，幫助學生理解。如圖1所示，兩個小孩可以提起一桶水，一個大人也可以提起同樣的一桶水。教師讓學生比較兩種情況有哪些相同之處，學生很容易回答出都把桶提起來了，兩次提桶的效果相同。接著，教師引導學生畫出兩次人對桶的作用力示意圖（如圖2），并引導學生歸納：如果一個力作用在一個物體上，它產(chǎn)生的效果與幾個力同時作用在這個物體上的效果相同，我們就把這個力叫作那幾個力的合力，那幾個力就叫作這個力的分力，顯然分力與合力在效果上可以相互替代。通過這樣的情境生成合力與分力的概念，很自然地運用了“等效法”，使知識點變得簡單易懂，學生學習物理知識的同時，提升了物理學科核心素養(yǎng)。

（二）利用“等效法”簡化物理過程

通常情況下，遇到比較復雜、抽象的物理過程時，往往需要將其與已知的物理過程建立等效關系。如果一個復雜的物理過程與若干個簡單的物理過程是等效的，我們就可以用這若干個簡單的過程來替換該復雜的物理過程，這樣的處理方式就是利用了“等效法”。

比如，曲線運動是學生在高中階段第一次接觸的比較復雜的運動，是高中物理教學中的重難點，也是自然界普遍存在的一種運動形式。在教學中，教師可以讓學生參與實驗，建立合運動、分運動的概念，從而掌握曲線運動的處理方法。第一次實驗：學生甲先將玻璃管緊貼黑板，玻璃管內(nèi)放一蠟塊，裝滿水，塞上木塞[如圖3（a）]，再將玻璃管豎直倒置后靜止不動[如圖3（b）]，同時，學生乙觀察蠟塊緩慢上浮，每隔時間T就在黑板上標記蠟塊的位置。第二次實驗：學生甲將玻璃管倒置后，在蠟塊上浮的同時緩慢水平移動玻璃管，學生乙每隔時間T在黑板上標記蠟塊位置[如圖3（c）]。實驗結束后，教師引導學生分析兩次實驗，并得出結論：第一次實驗，蠟塊的運動可近似看作豎直向上做勻速直線運動;第二次實驗，蠟塊既做豎直運動，又做水平運動，這兩個運動合起來就是它的實際運動，也就是說，實際運動與豎直運動和水平運動合起來是等效的。我們把物體的實際運動叫作合運動，物體同時參與的若干獨立運動叫作分運動，合運動與分運動可相互替換。在此基礎上，教師可以引導學生思考，若第二次實驗中，玻璃管在水平方向上做勻加速直線運動，應該如何研究此種情景下蠟塊的運動，讓學生體會“等效法”的精妙之處，在重視概念生成的同時，滲透物理思想。這樣，既構建了新知，又激活了學生思維，并為后續(xù)研究平拋運動做了很好的鋪墊。

（三）利用“等效法”研究物理規(guī)律

在研究復雜問題時常用的方法是用熟悉的簡單方法來處理，若復雜問題的某一部分規(guī)律與簡單問題的方法規(guī)律相同，我們就可以用簡單問題的方法規(guī)律來等效替換復雜問題的這一部分規(guī)律。

比如，測量電源的電動勢和內(nèi)阻是物理實驗教學的重難點，特別是對于誤差的分析。測量電源電動勢和內(nèi)阻的實驗原理圖如圖4所示，在教學中，教師一般采用的方法是改變滑動變阻器滑片的位置，讀出電流表與電壓表的示數(shù)，畫出I-U圖像，根據(jù)圖像信息得出電動勢和內(nèi)阻。由于電流表的分壓作用導致測量有系統(tǒng)誤差，采用這樣的分析對學生來說難度較大，很難達成教學目標。為此教師需要改變教學策略，如圖4，虛線框中的電流表和實際電源可以看作一個電源，這樣的電源叫作等效電源?；瑒幼冏杵骱碗妷罕頌橥怆娐罚刃щ娫吹碾妱觿莸扔谕怆娐烽_路時的電壓，與實際電源的電動勢相等，等效電源的內(nèi)阻為實際電源的內(nèi)阻與電流表阻值之和。因此，用這樣的電路測量的電動勢與真實值相同，測量的內(nèi)阻偏大。這樣的教學設計學生易于理解，符合深度教學的原理，更能觸及物理學的本質，逐步讓學生學會舉一反三、觸類旁通，激發(fā)學生學習物理的興趣。

三、使用“等效法”的教學建議

（一）變隱性教育為顯性教育

“等效法”不是具體的知識點，而是隱藏在知識點背后的物理思想方法。人教版物理教材中通篇沒有出現(xiàn)“等效法”的字樣，教師在教學中也經(jīng)常忽視物理思想方法的教育，或者一句“等效替換”一帶而過，最終學生只留下模糊不清的印象，遇到問題也很難想到用“等效法”去解決。

教師要以教材、習題為載體梳理常見的“等效法”的定義概念、研究規(guī)律、等效的物理模型，挖掘應用“等效法”的教學案例。在教學過程中，教師可以通過創(chuàng)設具體情境，采用問題驅動的教學模式，逐步引導學生看到其隱藏的物理本質，變隱性教育為顯性教育。

（二）搭建合理的思維臺階

在使用“等效法”研究物理規(guī)律時，教師要注意對學情進行分析，給學生搭建合理的思維臺階，讓學生在充分發(fā)揮自己能力的基礎上解決問題。下面以一道習題為例分析“等效法”解決等效模型的教學策略。

例：如圖5所示，在豎直平面內(nèi)固定一個圓心為O、半徑為R的絕緣光滑圓形軌道，AC為豎直直徑，軌道處于電場強度大小為E、方向水平向左的勻強電場中。一個質量為m的帶正電小球（視為質點）靜止在圓形軌道的D點處。OD與OC的夾角為60°，重力加速度大小為g，給小球一個沿切線方向的初速度v0 ，使其在豎直平面內(nèi)做完整的圓周運動，求v0的最小值。

該題是復合場中的動力學問題，物體受力較多，過程較為復雜，要用到牛頓第二定律、功能關系、臨界問題等分析，基本模型是豎直平面內(nèi)的圓周運動，學生很容易將物體通過A點作為臨界情況進行分析。

四、結語

教師要重視物理思想方法的教育，這是培養(yǎng)學生科學思維的關鍵和具體路徑。教師可以通過設置具體情境，讓學生在問題驅動下，通過小組合作探究情境背后的物理本質，達到觸類旁通、舉一反三的效果[3]。遇到復雜多變的問題時，教師可以搭建合理的思維臺階讓學生逐步發(fā)掘問題背后的物理本質，進而掌握物理學研究的方法，順利解決實際問題。

參考文獻：

[1]董博清，彭前程.核心素養(yǎng)視域下科學思維的內(nèi)涵及其實現(xiàn)路徑[J].課程·教材·教法，2019（4）：84-90.

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

[3]徐展，程承平. 高中物理“等效法”的內(nèi)容梳理與教學建議[J].中學物理，2016（3）：48-49.

（責任編輯：羅小熒）