“等效法”在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用及策略探討

【摘 要】物理思想方法是物理學(xué)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。“等效法”是物理思想方法中重要的方法之一，具有隱蔽性高、適用范圍廣的特點(diǎn)，給教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)與應(yīng)用帶來很大的困難。文章對“等效法”的概念進(jìn)行了界定，并論述了其在高中物理教學(xué)中的作用和策略。

【關(guān)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(xué)物理教研組長，一級教師，主要研究方向?yàn)楦咧形锢斫虒W(xué)。

科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重中之重，是物理觀念、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的基礎(chǔ)與內(nèi)核。物理課程設(shè)置、教學(xué)實(shí)施應(yīng)以提高和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維為核心。[1]物理思想方法是物理學(xué)科的靈魂，是物理學(xué)科區(qū)別于其他學(xué)科的標(biāo)志，也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)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(xué)的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。本文從“等效法”概念的界定、“等效法”在認(rèn)識高中物理的作用等方面探討“等效法”教學(xué)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(fù)雜的、難處理的問題轉(zhuǎn)換成熟悉的、容易的、易處理的一種科學(xué)思維方法[2]。自然界物質(zhì)的運(yùn)動、構(gòu)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(xué)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(xué)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(xué)生提供有效的指導(dǎo)，幫助學(xué)生更好地理解物理知識。

二、“等效法”在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用及策略

物理學(xué)的研究多數(shù)是對模型的研究，可以將實(shí)際物體、實(shí)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(shí)際物體、實(shí)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(dāng)多的物理概念在定義過程中就利用了“等效法”，將復(fù)雜的過程轉(zhuǎn)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(xué)，教師通常將這節(jié)課的重點(diǎn)放在合成與分解的數(shù)學(xué)運(yùn)算上，對合力、分力的概念一帶而過，缺乏概念生成的過程，學(xué)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(yùn)動和分運(yùn)動學(xué)習(xí)中很容易出錯。

教師在教學(xué)中可以設(shè)置具體的實(shí)際情境，幫助學(xué)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(xué)生比較兩種情況有哪些相同之處，學(xué)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(dǎo)學(xué)生畫出兩次人對桶的作用力示意圖（如圖2），并引導(dǎo)學(xué)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(yùn)用了“等效法”，使知識點(diǎn)變得簡單易懂，學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識的同時，提升了物理學(xué)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(fù)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(guān)系。如果一個復(fù)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(fù)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(yùn)動是學(xué)生在高中階段第一次接觸的比較復(fù)雜的運(yùn)動，是高中物理教學(xué)中的重難點(diǎn)，也是自然界普遍存在的一種運(yùn)動形式。在教學(xué)中，教師可以讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，建立合運(yùn)動、分運(yùn)動的概念，從而掌握曲線運(yùn)動的處理方法。第一次實(shí)驗(yàn)：學(xué)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(xué)生乙觀察蠟塊緩慢上浮，每隔時間T就在黑板上標(biāo)記蠟塊的位置。第二次實(shí)驗(yàn)：學(xué)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(xué)生乙每隔時間T在黑板上標(biāo)記蠟塊位置[如圖3（c）]。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師引導(dǎo)學(xué)生分析兩次實(shí)驗(yàn)，并得出結(jié)論：第一次實(shí)驗(yàn)，蠟塊的運(yùn)動可近似看作豎直向上做勻速直線運(yùn)動;第二次實(shí)驗(yàn)，蠟塊既做豎直運(yùn)動，又做水平運(yùn)動，這兩個運(yùn)動合起來就是它的實(shí)際運(yùn)動，也就是說，實(shí)際運(yùn)動與豎直運(yùn)動和水平運(yùn)動合起來是等效的。我們把物體的實(shí)際運(yùn)動叫作合運(yùn)動，物體同時參與的若干獨(dú)立運(yùn)動叫作分運(yùn)動，合運(yùn)動與分運(yùn)動可相互替換。在此基礎(chǔ)上，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考，若第二次實(shí)驗(yàn)中，玻璃管在水平方向上做勻加速直線運(yùn)動，應(yīng)該如何研究此種情景下蠟塊的運(yùn)動，讓學(xué)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(gòu)建了新知，又激活了學(xué)生思維，并為后續(xù)研究平拋運(yùn)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(fù)雜問題時常用的方法是用熟悉的簡單方法來處理，若復(fù)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(fù)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的重難點(diǎn)，特別是對于誤差的分析。測量電源電動勢和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)原理圖如圖4所示，在教學(xué)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(dǎo)致測量有系統(tǒng)誤差，采用這樣的分析對學(xué)生來說難度較大，很難達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。為此教師需要改變教學(xué)策略，如圖4，虛線框中的電流表和實(shí)際電源可以看作一個電源，這樣的電源叫作等效電源。滑動變阻器和電壓表為外電路，等效電源的電動勢等于外電路開路時的電壓，與實(shí)際電源的電動勢相等，等效電源的內(nèi)阻為實(shí)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(shí)值相同，測量的內(nèi)阻偏大。這樣的教學(xué)設(shè)計學(xué)生易于理解，符合深度教學(xué)的原理，更能觸及物理學(xué)的本質(zhì)，逐步讓學(xué)生學(xué)會舉一反三、觸類旁通，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

三、使用“等效法”的教學(xué)建議

（一）變隱性教育為顯性教育

“等效法”不是具體的知識點(diǎn)，而是隱藏在知識點(diǎn)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(xué)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(xué)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(xí)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(yīng)用“等效法”的教學(xué)案例。在教學(xué)過程中，教師可以通過創(chuàng)設(shè)具體情境，采用問題驅(qū)動的教學(xué)模式，逐步引導(dǎo)學(xué)生看到其隱藏的物理本質(zhì)，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(xué)情進(jìn)行分析，給學(xué)生搭建合理的思維臺階，讓學(xué)生在充分發(fā)揮自己能力的基礎(chǔ)上解決問題。下面以一道習(xí)題為例分析“等效法”解決等效模型的教學(xué)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(qiáng)度大小為E、方向水平向左的勻強(qiáng)電場中。一個質(zhì)量為m的帶正電小球（視為質(zhì)點(diǎn)）靜止在圓形軌道的D點(diǎn)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(yùn)動，求v0的最小值。

該題是復(fù)合場中的動力學(xué)問題，物體受力較多，過程較為復(fù)雜，要用到牛頓第二定律、功能關(guān)系、臨界問題等分析，基本模型是豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動，學(xué)生很容易將物體通過A點(diǎn)作為臨界情況進(jìn)行分析。

四、結(jié)語

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

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：羅小熒）