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等效思想在高中物理新课程中的应用鲁世明 （江苏省姜堰中学 225500）摘要：等效思想在高中物理新课程教学中有重要应用，按等效形式的不同，可将其分为模型等效替代、过程等效替代、作用等效替代、本质等效替代四种。每种等效形式都有其独特的等效条件、巧妙思想和应用魅力。关键词：高中物理 新课程 等效思想 等效方法物理学是研究物质运动最基本、最普遍规律及物质构成、物质间相互作用的科学。物理思想是物理学的灵魂。新课程的实施，要求我们高中物理教师在平时教学中，要卓有成效地对学生进行物理思想教育。而等效思想是高中物理中涉及最广泛的具体物理思想。所谓等效思想，其实质就是人们研究事物和运动时从事物的等同效果出发，将其转化为等效的、简单的，易于研究的物理事物；只要两个不同事物或运动具有相同的功能和结果，就可使二者相互代替，视为等效。下面重点阐述等效思想在高中物理新课程教学中的具体应用。一、模型等效替代在研究解决物理问题的过程中，我们常常用简单的，易于研究的模型来代替复杂的物理原型，这种方法称为模型等效替代法。高中物理中模型等效替代主要有二种形式，其一是物理概念的理想化模型，其二是物理对象的理论模型。1物理概念的理想化模型等效物理上许多概念，是对实际事物的科学抽象，是用等效思想方法概括出理想模型。如质点、理想气体、点电荷、绝对黑体等都是一定条件下，对实际客体的一种等效替代。我们在课堂教学中必须使学生加深对等效思想和方法的理解。例如，用等效思想讲“重心”概念，可使学生加深对重心的理解，明确重心是物体对重力的等效作用点。例1质量为m的均匀木板长为L，放在水平桌面上，木板与桌面间动摩擦因数为，现用水平力推木板，运动到图1所示位置时，其中 长度伸出桌面，此时木板所受桌面对它滑动摩擦力多大？错误解法：物体对桌面压力只等于物体重力的 ，即FN= mg，f=FN= mg，正确解法：物体对桌面压力等于重力，因为重力的作用点即重心在桌面上即FN=mg，f=FN=mg，当然，物理概念的理想化模型等效，要注意把握等效条件，否则也可能得到错误结论，如库仑定律 ，就不能说r0时，F 。因为此时点电荷模型已经不成立了。2研究对象的理论模型等效物理中许多实际对象的描述都可以建立理论模型，不同理论模型可解决不同层次问题，例如原子模型可以是核式结构模型，也可以是玻尔模型；而波粒二象性模型可代替光的实物粒子，表征光和实物粒子的特征。二、过程等效替代所谓过程等效替代，就是用一种或几种简单的物理过程代替一种复杂的物理过程的方法。主要表现在两个方面。1物理理想过程等效替代实际过程理想过程是对实际过程的抽象，其目的在于通过对理想过程的研究，了解实际复杂过程的规律。例如研究抛体运动时我们忽略运动阻力影响；用准静态过程等效替代实际热力学过程。这些都是理想过程等效替代实际过程的例子。尤其是课本心修中伽利略理想斜面实验的研究，通过理想斜面等效替代实际斜面，这个当时无法实际操作的“理想实验”为牛顿第一定律的建立奠定了基础，也让我们见识了理想过程等效的魅力。2物理简单过程等效替代复杂过程在高中物理中，“平均速度”“平均加速度”概念的引入，使得我们在处理非匀速运动问题时，可转化为匀变速运动处理；而复杂的曲线运动都可以等效分解为几个简单的运动过程。例2如图2所示，从足够长固定斜面顶端以v0水平抛出一个物体，求该物体运动过程中离开斜面最大距离？解：本题可将平抛运动等效分解为水平方向匀速运动和竖直方向自由落体运动。但若以沿斜面向下方向为x轴和垂直斜面向上为y轴分解v0和加速度g，则物体在x轴匀加速运动，在y轴类似竖直上抛运动，很容易求出最大距离为 三、作用等效替代作用等效替代是指从不同物理事物或同类物理事物的不同形式在某一物理过程中对外界所产生的作用及效果相同出发，来研究物理事物的本质和规律，分析处理物理问题的一种思维方法。1力的作用效果等效替代若一个力作用效果与几个力作用效果相同，则引入合力与分力概念，我们可以用合力等效几个分力作用效果，也可以用几个分力等效一个合力作用效果。例3如图3，质量为m的质点与均匀球M球心相距2R，球M半径为R，二者之间引力为F，现挖去右边半径为 的小球，则剩余部分与质点m的万有引力为多大？解：挖去球质量M1= M，剩下球质量M2= M，我们不可直接利用高中数学知识应用万有引力公式，求M2与质点m间引力。我们可以先求出挖去球M1与质点m的万有引力F1= F，而大球M与质点m引力F可用M1与m引力F1与M2与m引力F2的矢量和等效替代，所以可得F2=FF1= F2场的作用效果等效替代在静电场中，求某些特殊电场的场强时，我们可以利用场的作用效果等效，根据电场线类同，用常见已知的电场等效替代该电场，往往很容易解决问题。例4如图4-1所示，点电荷+Q、与接地的原来不带电的金属板相距r，求O点场强E。解：由静电平衡知识可知，电场线分布如图4-2所示，与在与A对称位置放一等量异号电荷A的电场线等效。我们可用等量异号电荷电场等效替代该电场，从而计算出O点场强E= ，方向水平向右。3电流的热效应等效替代交流电流有效值的提出，就利用了作用等效替代思想。我们从交、直流电通过同一电阻相同时间内产生相同热量的事实出发，用直流电的数值定义交流电的有效值。例5如图所示一周期性电流，试求电流的有效值I解：前 ，I1= A后 ，I2=4A由电流热效应 I2RT= I12 R + I22 R ，求得I= A高中物理中，作用等效替代涉及规律很多，但却必须满足独立作用原理，即这些简单的过程和现象同时存在时，互不影响，互不作用，保持其独立作用效果。四、本质等效替代所谓本质等效替代，就是以不同物理事物或同一物理事物不同形式以及其规律或表述在本质上相同为基础而进行的等效替代的思维方法，主要表现在以下两个方面：1同一定律不同表述的等效替代例如，热力学第二定律是热学中一个很重要的宏观定律。有三种表述形式：（1）开尔文表述为：不可能从单一热源吸收热量，全部用来对外做功而不引起其它变化（2）克劳修斯表述为：热量不能自动地从低温物体传到高温物体，而不引起其它变化（3）最简单表述为：第二类永动机不可能制成。而本质上这三种表述是相同的，可以等效替代的2同一物理规律在不同坐标系中等效替代例如，狭义相对论有二条基本假设：其一是狭义相对性原理，其二是光速不变原理。狭义相对性原理指出：若两坐标系相对匀速运动，则物理系统的状态发生变化时所遵循定律无论对这两个参考系哪一个来说，是没有关系的，是等效的。故在利用狭义相对论解决问题时，可任选一惯性参考系。爱因斯坦在广义相对性原理中指出：一切参照系都是平等的，物理规律在任何参照系中相应具有相同的形式。也就是强调同一物理规律在不同坐标系中等效替代。综上所述，等效思想是高中物理新课程中最基本、最重要的思想方法之一。它对物理问题的解决具有重要作用，我们高中物理教师在新课程物理教学中要注重对学生进行等效思想的培育指导，培养学生的分析解决问题的能力，使学生能在具体问题中，正确运用等效思想，获得解题灵感，增强创造力，从而努力提高物理教学质量，培养创新人才。