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新，物理作為高中階段的重要學科，教學模式也需要創新.高中物理知識內容較為抽象，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量.等效思想作為高中物理教學的重要思想，能夠將抽象性、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.

關鍵詞：?高中物理;等效思想;應用策略

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，應用等效思想是將復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，需要結合課堂教學內容，根據學生學習規律和特點，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量.本文探究等效思想在高中物理教學中的應用策略.

1 借助等效模型，優化課堂教學活動

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，在串聯電路和并聯電路的教學中，教師可以引入相應的物理問題：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?在電源內阻不發生變化的情況下，電源輸出功率隨著電阻變化發生變化，但并非單調的，存在極大值的情況.當外電阻和內阻相同時，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，不能夠直接套用結論.在分析時，將電源和R?;1?串聯等效成新電源，R?2?即整個等效電源的外電阻，等效電源的內阻是R?1?+r，因此，當R?2?的阻值和等效電阻的內阻相同時，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建，靈活利用等效思想，將物理知識內容簡化處理，提高課堂教學效果，加強學生物理思想和方法培養，提高學生物理學習能力.

2 借助作用等效，指導學習方法

在高中物理教學中，面臨的物理問題比較多，問題解決方式呈現多樣化，如從物理本質思考問題方式，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，主要是將不同物質在問題中的效果做出分類，以分類作為基礎，對同類問題產生的特點進行研究，得到同類問題解決方式，結合物理問題類型不同采取相應的解決方式.在實際的應用中，利用作用等效代替復雜作用，使得問題變得簡化，保證課堂教學效果.

如圖2所示，一個質量為m的小球，其帶電量是q，在整個區域加入一個場強為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，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，根據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，需要借助常規模型受力特點，對類似的物理場景進行類比聯想，實現復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，根據物理過程引入等效思想，優化課堂活動設計，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揮.通常來說，物理過程主要有復雜過程和簡單過程兩種，復雜過程較為繁瑣復雜，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，總質量是5?kg?，在B小車上固定一閉合的螺旋管，總質量是10?kg?.現在給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.感應電流產生的磁場對導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束.結合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化成電能，之后通過電阻發熱，利用能量轉化守恒求解.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，借助等效思想，提高學生知識遷移能力.

4 借助等效思想，優化實驗教學

高中物理教學中，實驗是重要的教學內容，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，有些實驗現象不易觀察，有些實驗操作難度大，而有些實驗出現較大實驗誤差等，對于這樣的實驗問題和現象，可以引入等效思想，借助易于觀察的方式，優化物理實驗教學，轉換學生物理思維，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，電流表的內外接產生系統誤差，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阻的定值電阻并聯.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阻的定值電阻串聯，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的物理規律，確保習題得以高效突破，因此高中物理教學中應注重結合具體具體講解，等效思想的具體應用，使其在以后的解題中能夠透過現象看本質，及時找到正確的解題思路.

例如，如圖3所示，是用導線圍城的扇形形狀，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，將導線中通入大小為I，方向如圖中箭頭所示的電流，則導線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線的長度計算在內，應將等效長度代入安培力的計算公式.圖中導線雖然圍成扇形，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物理知識本質，使其在以后的學習中能夠靈活應用，應注重借助等效思想講解相關的例題，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，使其搞清楚物理公式相關參數表示的真正含義，使其在以后的解題中能夠正確的帶入相關參數.

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.現將小球拉至A點，使細線和豎直方向夾角為θ（θ非常小），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，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，應注重為學生講解相關的解題技巧，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.其中三個燈泡的規格均為“?9V，6W”，?各電表為理想電表，起初開關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?.電流表的示數為2?A?時，燈泡均能正常發光

D?.斷開開關K，電壓表的讀數變小

將電壓表右側等效為一個電阻，開關K斷開時，等效電阻增大，其和燈泡L?1?是串聯關系，分壓增大，因此，電壓表的示數應變大.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律的理解，鍛煉學生知識應用能力.借助等效思想，鍛煉學生想象能力，理解物理事物本質，結合聯想和類比，培養學生創新思維.在具體的課堂中，通過應用等效思想，幫助學生更好的理解物理規律，培養學生良好的物理思維能力，提高物理教學質量和水平.

參考文獻：

[1]鄧琪嬋.高中物理中等效思想的應用?[J?].散文選刊（中旬刊），2018（5）：13.

[2?] 趙明新.等效替代思想在高中物理力學解題中的應用?[J?].數理化解題研究，2017（2）：58-59.

[3?] 翁鵬飛.異曲同工?殊途同歸——談高中物理中的等效思想?[J?].湖南中學物理，2021，36（07）：75-77.

[4?] 胡敏.基于等效思維的高中物理解題研究?[J?].高考，2020（35）：117+119.

[5?] 胡文輝.高中物理力學解題中等效替代思想的應用?[J?].中學課程輔導（教師通訊），2020（15）：83-84.

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