等效替代思想在高中物理力學解題中的應用初探

張子欣

高中物理是理科生學習的重點和難點。在高中階段的物理學習過程中，我發現大部分同學在該學科上都投入了很多精力，收效卻甚微，特別是有關力學方面。我在大量的實踐練習當中發現：在力學題中應用等效替代思想對解題有事半功倍的效果，如利用作用力的等效替代解題、利用運動過程的等效替代解題、利用物理模型的等效替代解題等?；诖?，本文對等效替代思想在高中物理力學解題中的實際應用進行了闡述，希望為廣大學者在高中物理力學題目的解題提供參考。

在高中階段的學習之中，物理是極為重要的一門課程，而力學恰恰是物理學習的基礎內容，但在力學習題的練習之中，許多同學無法合理的進行受力分析，自然也就無法良好的解決物理習題，這不僅僅會造成此階段學習成績的下降，還會影響到接下來物理知識的學習。因此，為良好的解決物理力學習題，應在解題的過程之中，充分發揮等效替代思想的作用，以便于我們對力學問題進行良好解答。

一、利用作用力的等效替代解題

對于高中階段的物理學習來說，其與初中的物理知識存在較大的差別，最為明顯的便是物理知識的難度提升了很多，就物理力學學習而言，在對相關的題目進行解答時，常常會受困于受力分析上，從而難以將題目良好的解答出來，加之在有些力學題目之中，其受力分析較為復雜，若簡單的列方程，則常常會出現解答錯誤的現象。此時，為對題目進行良好的解答，便應運用等效替代的思想，對合力與分力之間的等效替代關系充分的利用，根據物理力學題目的實際問題分析，若其中存在明確告知的恒力，應先行對該恒力進行計算，使之合并成一個力，這也就是等效替代，可有效將多個力進行簡化，此時再對題目進行解答，便會發現解題思路變得清晰許多，此時再利用方程對受力模型進行解答，不僅僅使計算過程變得簡便，還有助于提升解題的正確性，有利于我們在對同類型的物理力學題目的解答時，擁有更加清晰明確的解答思路。

例如，在解答圖1所示的物理力學題目時，便可充分運用作用力的等效替代來進行解答。如圖所示，有一個質量為4kg的質點，其在大小、方向均不同的六個共點力的作用之下，呈現出平衡狀態，已知六個作用力之中存在兩個相互垂直的作用力，分別為4N和3N，若將這兩個作用力撤掉，則質點的加速度是多少？

解答，從圖I的受力圖及題干的分析可發現，該質點所受到的作用力較多，除需要撤掉的兩個作用力外，質點所受其余的作用力沒用明確的方向，此時對題目的解答首先應得到除撤出力以外的作用力的合力，如圖2所示，將相互垂直的兩個力的合力為F甲。此時，對題目進行分析可以發現，作為其余力的合力F乙，其必然與兩個撤出力的合力F甲相平衡，也就是說合力F乙與合力F甲效果相同，若撤掉4N和3N這兩個作用力，則僅剩合力F乙，此時對質點所受到的合力依照公式F=ma進行計算，可得加速

二、利用運動過程的等效替代解題

在高中階段的物理學習之中，許多題目之中都會涉及到運動方面的知識，且部分題目之中物體的運動過程通常較為復雜，若僅僅依照相關的公式進行解題，通常會因缺少相應的解題思路，而無法將題目良好的解答出來。此時，為能夠在解題之中擁有較為清晰的解題思路，可以將等效替代的思想貫穿于解題的整個過程之中，充分運用合運動與分運動之間所具有的等效性，來對題目之中的運動進行簡化分析。

例如，在進行物理題目的解答時，對于水平方向的勻速直線運動與豎直方向上的自由落體運動，可將這兩種運動看做是平拋運動的分運動，則平拋運動也就是二者的合運動，依照此類解題思路便可將較為復雜的曲線運動類型的題目，用兩個較為簡單的直線運動組合題目所代替。而面對自由落體運動及勻速直線運動題目的解答，我們通常能夠對解題的知識內容良好的運用，同時也擁有良好的解題思路，能夠對題目良好的解答。例如，在圖3所示的勻強電場之中，電場強度為E，此時豎直向上發射一枚小球，小球的質量為m，初速度為v0，小球的電量為+q，求小球在運動過程中具有的最小速度。

解答，對圖及題干進行分析，可知小球受到重力G及電場力F的作用，且這兩個力的合力為F合，由此可知小球做曲線運動。此時如圖設置y軸與x軸，并在這兩個方向分解V0，則此時Vx=V0sinθ，vy=v0cosθ，在x方向做勻速直線運動，且Vx=V0sin勻減速直線運動，此時便可用上述的等效代替思想進行解題，將之用兩個較為簡單的直線運動代替。此時，可知當在Y方向上的的Vy=0時，二者之間的和速度最小，此時便是小球在運動過程中具有的最小速度，即Vmin=Vx=V0sinθ=V0。

三、利用物理模型的等效替代解題

在高中階段的物理學習之中，對大量的物理習題進行總結，可發現在近年來的高考物理試題之中，命題人在出題時對新的創意、背景、過程更加注重，但究其根本其題目所要考察的內容仍然是日常學習之中反復強調的物理模型，其中主要包括單擺模型、彈簧振子模型、子彈射木塊模型等較為經典的物理模型，此時在對物理題目進行解答時，應提升自身對模型的認知，并能夠透過題目的表象看到其考察的本質。

例如，在圖4之中，在一個光滑的水平面內的光滑絕緣板上，豎直固定著一對平行的金屬板，其總質量為M=0.3kg，兩金屬板之間的距離為d=0.04m，在金屬板上加以適當的電壓，此時一個質量為m=0.1kg，帶電量為q=2.5×10-6C的小球，以大小為v0=10m/s的速度，從右板底部小孔沿絕緣板射入兩金屬板之間，并恰好能夠到達金屬板左端（未接觸），求兩金屬板之間所施加的電壓U。

解答，對題干進行大致的分析后，可發現其可利用子彈穿木塊模型的等效替代思想進行解題，此時設小球到達金屬板左端時的速度為V，經由動量守恒便可得到mv0=（M+m）v，而后利用能量守恒進行解代入得U=1.5×106v。

總而言之，在高中階段的物理學習之中，物理題目所涉及到的受力、運動、模型等方面的知識內容，通常都用較為復雜的方式進行表達，但知識的本質是不變的，只要在解題過程之中充分運用等效替代思維，便能夠將復雜的內容有效簡化，此時僅利用學過的知識便能夠對題目輕松解答。