借助等效思想 助力物理教學

摘?要：?隨著我國教育改革的深入，課堂教學模式在不斷改革和創(chuàng)新，物理作為高中階段的重要學科，教學模式也需要創(chuàng)新.高中物理知識內(nèi)容較為抽象，邏輯性強，使得學生物理知識理解和運用有著一定的難度，影響課堂教學效果和質(zhì)量.等效思想作為高中物理教學的重要思想，能夠?qū)⒊橄笮?、邏輯性強的知識變得形象、直觀，降低知識學習和理解難度，提高學生學習效果.

關(guān)鍵詞：?高中物理;等效思想;應(yīng)用策略

中圖分類號：?G?632?文獻標識碼：?A?文章編號：?1008-0333（2022）12-0101-03

收稿日期：?2022-01-25

作者簡介：?田云龍（1993.2-），男，安徽省界首人，本科，中學二級教師，從事高中物理教學研究.

在高中物理課堂中，應(yīng)用等效思想是將復(fù)雜的物理知識和模型變成簡單的物理知識模型，利用事物之間的等同性，將其轉(zhuǎn)化為易于研究的物理事物.等效思想是重要的科學研究方式，也是物理教學中的重要教學方式.作為高中物理教師，需要結(jié)合課堂教學內(nèi)容，根據(jù)學生學習規(guī)律和特點，靈活利用等效思想，加深學生物理知識理解，掌握和運營物理原理，提高課堂教學效果和質(zhì)量.本文探究等效思想在高中物理教學中的應(yīng)用策略.

1 借助等效模型，優(yōu)化課堂教學活動

等效模型是利用簡單的、容易研究的物理模型替代復(fù)雜的物理課題，使得物理問題更加簡單，利于學生學習和理解.在高中物理教學中，將等效思想和物理模型融合，將陌生物理情境和熟悉物理情境進行對比，用學生熟悉的物理模型對不熟悉模型進行分析和研究，提高課堂教學效果.

例如，在串聯(lián)電路和并聯(lián)電路的教學中，教師可以引入相應(yīng)的物理問題：如圖1所示，在電路圖中，?R?1?是定值電阻，R?2?是可變電阻，E是電源電動勢，r是電源電阻，當R?2?的阻值是多少時，R?2?的消耗功率最大？

解析?在電源內(nèi)阻不發(fā)生變化的情況下，電源輸出功率隨著電阻變化發(fā)生變化，但并非單調(diào)的，存在極大值的情況.當外電阻和內(nèi)阻相同時，電源輸出功率最大.在對R?2?的功率進行討論時，因為R?2?并不是整個外阻，不能夠直接套用結(jié)論.在分析時，將電源和R?;1?串聯(lián)等效成新電源，R?2?即整個等效電源的外電阻，等效電源的內(nèi)阻是R?1?+r，因此，當R?2?的阻值和等效電阻的內(nèi)阻相同時，R?2?消耗的功率既是等效電源輸出的功率，且是最大值.因此，高中物理課堂中，采用整體法進行等效模型構(gòu)建，靈活利用等效思想，將物理知識內(nèi)容簡化處理，提高課堂教學效果，加強學生物理思想和方法培養(yǎng)，提高學生物理學習能力.

2 借助作用等效，指導(dǎo)學習方法

在高中物理教學中，面臨的物理問題比較多，問題解決方式呈現(xiàn)多樣化，如從物理本質(zhì)思考問題方式，還可以通過物理作用等效的方式思考問題，幫助學生理解物理知識，引導(dǎo)學生掌握良好的學習方法.利用物理作用等效解決問題，主要是將不同物質(zhì)在問題中的效果做出分類，以分類作為基礎(chǔ)，對同類問題產(chǎn)生的特點進行研究，得到同類問題解決方式，結(jié)合物理問題類型不同采取相應(yīng)的解決方式.在實際的應(yīng)用中，利用作用等效代替復(fù)雜作用，使得問題變得簡化，保證課堂教學效果.

如圖2所示，一個質(zhì)量為m的小球，其帶電量是q，在整個區(qū)域加入一個場強為E的水平方向的勻強電場，小球的一端系著長為L的繩子，并且和豎直方向成45°的P點處于平衡.求解：?圖2

（1）電場力的大小.

（2）如果小球被拉至到O點在同一水平位置的C點自由釋放，則小球到達A點的速度是多少？此時繩子的拉力是多少？

（3）在豎直平面內(nèi)，如果小球以P點作為中心進行擺動，求解擺動的周期.

（4）如果使小球在豎直平面做圓周運動，最大速度和最小速度分別在哪個點，大小是多少？

解析：在問題（1）解答中，小球在P點位置處于平衡狀態(tài)，根據(jù)平衡條件可以求解出電場力.問題（2）中，由于小球在任意位置受到重力和電場力均不發(fā)生變化，因此，重力和電場力等效成新的合力，其大小F=?2?mg，方向與豎直方向成45° 角，方向為左下方.當小球從C點運動到A點時，整個過程的合力F做功為零，根據(jù)牛頓第二定律求解出繩子的拉力.（3）問題中，小球在等效合力的作用下做單擺運動，求解出等效重力加速度，進而求解出運動周期.（4）問題中，小球在等效場中做豎直平面做圓周運動，和重力場進行類比，小球速度最大應(yīng)當在P點位置，其對稱點的速度最小.

此物理問題屬于運動模型和圓周運動的等效類比，在實際的教學中，需要借助常規(guī)模型受力特點，對類似的物理場景進行類比聯(lián)想，實現(xiàn)復(fù)雜問題和簡單問題的連接，完成物理知識的遷移.

3 利用過程等效，提高教學效果

在高中物理教學中，根據(jù)物理過程引入等效思想，優(yōu)化課堂活動設(shè)計，提高課堂教學效果.在過程等效之前，需要對物理過程進行分類，保證含過程等效作用充分發(fā)揮.通常來說，物理過程主要有復(fù)雜過程和簡單過程兩種，復(fù)雜過程較為繁瑣復(fù)雜，簡單過程則較為簡潔直觀.過程等效則是使用簡單的作用過程代替復(fù)雜作用過程，簡化物理問題，提高學生課堂學習效果.

例如，在光滑的水平面上，靜止放置兩輛小車A和B，A小車上固定一強磁鐵，總質(zhì)量是5?kg?，在B小車上固定一閉合的螺旋管，總質(zhì)量是10?kg?.現(xiàn)在給B小車施加一個水平向左的100?N·s?的瞬間沖量.如果兩小車在運動中沒有直接碰撞，則相互作用時產(chǎn)生的熱能是多少？

解析?在此物理問題解答中，通過類比分析，將此運動過程等效成子彈擊木塊未擊穿的物理運動，作為問題思考的切入點.感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場對導(dǎo)體和磁場間的相對運動具有阻礙作用，A、B兩個小車之間存在排斥力，將兩小車作為研究對象，其受的合外力是零，動量守恒，當兩小車速度相等的情況下，兩小車的相互作用結(jié)束.結(jié)合B小車運動到兩小車相對靜止，整個過程中減少的機械能轉(zhuǎn)化成電能，之后通過電阻發(fā)熱，利用能量轉(zhuǎn)化守恒求解.此物理問題主要考查學生對動量守恒定律、能的轉(zhuǎn)化守恒定律、楞次定律等知識的掌握，加強學生分析能力和推理能力培養(yǎng)，借助等效思想，提高學生知識遷移能力.

4 借助等效思想，優(yōu)化實驗教學

高中物理教學中，實驗是重要的教學內(nèi)容，借助物理實驗幫助學生理解和掌握物理知識.但是，在具體的實驗中，有些實驗現(xiàn)象不易觀察，有些實驗操作難度大，而有些實驗出現(xiàn)較大實驗誤差等，對于這樣的實驗問題和現(xiàn)象，可以引入等效思想，借助易于觀察的方式，優(yōu)化物理實驗教學，轉(zhuǎn)換學生物理思維，突破課堂教學難度，加深知識學習和理解.例如，在伏安法測電阻的實驗教學中，電流表的內(nèi)外接產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，可以利用等效思想對誤差進行分析.在外接的情況下，可以將實際電壓表等效成理想電流表和阻值為電壓表內(nèi)阻的定值電阻并聯(lián).此種情況下，測量得到電阻值，即測量電阻值小于真實的電阻值.在內(nèi)接情況下，將實際電流表等效成理想電流表和阻值為電流表內(nèi)阻的定值電阻串聯(lián)，即測量電阻值大于真實電阻值.

5 借助等效思想，提高解題效率

高中物理習題情境靈活多變，解題的思路不盡?相同，尤其對部分高中物理習題采用常規(guī)做法花費時間較長，解題效率較低，而且容易出錯.如采用等效思想可迅速的分析出相關(guān)的物理規(guī)律，確保習題得以高效突破，因此高中物理教學中應(yīng)注重結(jié)合具體具體講解，等效思想的具體應(yīng)用，使其在以后的解題中能夠透過現(xiàn)象看本質(zhì)，及時找到正確的解題思路.

例如，如圖3所示，是用導(dǎo)線圍城的扇形形狀，其中扇形的半徑為R，圓心角為90°，將其放在磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場中，和磁場方向垂直.其中線段 ab和cd的長均為R/2，將導(dǎo)線中通入大小為I，方向如圖中箭頭所示的電流，則導(dǎo)線abcd所受的安培力為（?）.

A?.方向沿紙面向上，大小為?2?BIR?2

B?.方向沿紙面向上，大小為?（π-?2?）BIR?2

C?.方向沿紙面向下，大小為?2?BIR?2

D?.方向沿紙面向下，大小為?（π-?2?）BIR?2

解答該題顯然不能將整個導(dǎo)線的長度計算在內(nèi)，應(yīng)將等效長度代入安培力的計算公式.圖中導(dǎo)線雖然圍成扇形，但其等效長度為ad連線的長度.由 ab和cd的長均為R/2，扇形的圓心角為90°，可知ad連線的長度為（R-R/2）/?cos?45°=?2?2?R，則F=BIL=?2?BIR?2?，電流的方向等效為從a流向d，由左手定則可知，方向向上，綜上選擇?A?項.

6 借助等效思想，深化知識理解

高中物理教學中，為幫助學生更好的理解相關(guān)物理知識本質(zhì)，使其在以后的學習中能夠靈活應(yīng)用，應(yīng)注重借助等效思想講解相關(guān)的例題，尤其通過在課堂上與學生互動，進一步澄清學生認識，糾正其理解上的誤區(qū)，使其搞清楚物理公式相關(guān)參數(shù)表示的真正含義，使其在以后的解題中能夠正確的帶入相關(guān)參數(shù).

例如，如圖4所示，使用一根長為l的輕繩，一端系一可視為質(zhì)點的小球，另一端固定在O點. O點正下方距離O點l/2的位置P點固定一顆小釘子.現(xiàn)將小球拉至A點，使細線和豎直方向夾角為θ（θ非常?。?，由靜止釋放小球，小球運動的最低點為B，點C是小球能夠到達左方最高位置. A、B、C、O在同一豎直平面內(nèi)，重力加速度為g，忽略空氣阻力，則（?）.

A?.點C和點A等高

B?.點C在點A上方

C?.小球擺動的周期為2π?l?g

D?.小球擺動的周期為π（?l?g?+?l?2g?）

小球擺動的過程中只有重力做功，因此小球的機械能守恒，即，在C點的高度和A點的高度相同.小球做單擺運動，在未碰到釘子前其運動的時間為半個周期，t?1?=?1?2?T?1?，此時的擺長為l，由單擺周期計算公式可知T?1?=2π?l?g?，則t?1?=π?l?g?.細線碰到釘子后其仍做單擺運動，但是此時單擺的等效擺長為l/2，而不是l.其運動的半個周期的時間t?2?=?1?2?T?2?=?1?2?×2π?l?2g?=π?l?2g?，則其周期T=t?1?+t?2?=π?l?g?+π?l?2g?=π（?l?g?+?l?2g?），綜上可知選擇?AD?.

7 借助等效思想，傳授解題技巧

高中物理教學中為更好的提高學生的學習能力，應(yīng)注重為學生講解相關(guān)的解題技巧，其中等效思想可達到化難為易，迅速獲取的良好效果，因此實踐中應(yīng)通過例題講解使學生體會運用等效思想解題的便利，增強其運用等效思想解題的意識與能力，促進高中物理學習成績更好的提升.

如圖5甲為原副線圈匝數(shù)之比為3∶?1的理想變壓器，其中cd輸入端交變電壓u的圖象如圖5乙所示.其中三個燈泡的規(guī)格均為“?9V，6W”，?各電表為理想電表，起初開關(guān)K是閉合的，則（?）.

A?.ab輸入端電壓瞬時值的表達式為27?2?sin?100πt（V）

B?.ab輸入端功率Pab=18?W

C?.電流表的示數(shù)為2?A?時，燈泡均能正常發(fā)光

D?.斷開開關(guān)K，電壓表的讀數(shù)變小

將電壓表右側(cè)等效為一個電阻，開關(guān)K斷開時，等效電阻增大，其和燈泡L?1?是串聯(lián)關(guān)系，分壓增大，因此，電壓表的示數(shù)應(yīng)變大.綜上只有?C?項正確.

在高中物理教學中，借助等效思想，將復(fù)雜物理問題簡單化，尋找更好的問題解決方式，加深學生對物理過程和物理規(guī)律的理解，鍛煉學生知識應(yīng)用能力.借助等效思想，鍛煉學生想象能力，理解物理事物本質(zhì)，結(jié)合聯(lián)想和類比，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維.在具體的課堂中，通過應(yīng)用等效思想，幫助學生更好的理解物理規(guī)律，培養(yǎng)學生良好的物理思維能力，提高物理教學質(zhì)量和水平.

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[責任編輯：李?璟]