等效方法在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

1、等效方法在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用等效方法在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用上海市長寧區(qū)新涇中學(xué) 陳 君引言物理學(xué)從牛頓力學(xué)到現(xiàn)在已有300多年的發(fā)展歷史。物理學(xué)的發(fā)展對社會進(jìn)步的不斷推動，逐步引起了人們對它的高度重視。20世紀(jì)現(xiàn)代物理學(xué)的建立和發(fā)展，促成了整個科學(xué)技術(shù)的迅猛騰飛。第二次世界大戰(zhàn)以后，短短的半個世紀(jì)形成了原子核技術(shù)、電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、激光技術(shù)、生物技術(shù)、計算機和信息技術(shù)等一個個高新的技術(shù)產(chǎn)業(yè)，把人類文明推向了一個空前繁榮的高度，顯示了現(xiàn)代物理學(xué)在認(rèn)識自然界、認(rèn)識宇宙，推動科技進(jìn)步和經(jīng)濟發(fā)展中的強大社會功能。物理學(xué)是整個自然科學(xué)的基礎(chǔ)，在這個基礎(chǔ)上已經(jīng)發(fā)展了幾十個分支和交叉學(xué)科，有人統(tǒng)計30

2、0多種常用的科學(xué)研究方法中，物理學(xué)包含了170種。當(dāng)今社會幾乎沒有一個科學(xué)和技術(shù)部門不應(yīng)用物理學(xué)的成就，生產(chǎn)、生活、衣、食、住、行哪里有人類活動，哪里就有物理學(xué)的文化氣息，可以毫不夸張的說，物理學(xué)已經(jīng)滲透到社會生活的各個領(lǐng)域。物理學(xué)的發(fā)展對現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的推動作用越來越大，對社會發(fā)展的影響越來越明顯。與此同時，伴隨著物理學(xué)地位的節(jié)節(jié)攀升，對物理學(xué)的教學(xué)水平也提出了更高的要求，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提高學(xué)生分析問題解決問題的能力，已經(jīng)成為當(dāng)代中學(xué)物理教學(xué)中的一個重要課題。相對于物理學(xué)的重要性的越來越突出，我國目前中學(xué)物理教學(xué)水平又如何呢？據(jù)調(diào)查，現(xiàn)在的高中生，一般要做上千道物理題，但相當(dāng)多的同

3、學(xué)物理學(xué)基本內(nèi)容掌握的并不好。當(dāng)前的物理教學(xué)狀況是：一方面師生雙方都花了九牛二虎之力；另一方面卻有30%、40%甚至一半的學(xué)生物理不及格!（1999年物理通報1月刊在改革道路上繼續(xù)前進(jìn)）那么如何來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維？如何在培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力方面獲得長足的進(jìn)步？如何使教師、同學(xué)花相等或更少的時間，而獲得更大的收益？中學(xué)物理教學(xué)中，中學(xué)物理方法論的應(yīng)用和實施，在很大程度上解決了這一問題。一、 方法論與中學(xué)物理教學(xué) 隨著中學(xué)物理教學(xué)改革的進(jìn)一步深入，方法論與中學(xué)物理教學(xué)的關(guān)系也隨之更加緊密起來。方法論正逐漸成為中學(xué)物理教學(xué)中，提高中學(xué)物理教學(xué)水平必不可少的重要途徑。 (一)方法論對中

4、學(xué)生素質(zhì)教育的影響 1方法論的含義及其分類我們不禁要提出這樣的疑問：何謂中學(xué)物理方法論呢？中學(xué)物理方法論是一門研究物理學(xué)研究方法的科學(xué)，它總結(jié)和概括了人們在研究方法方面的經(jīng)驗和規(guī)律，它揭示了常用的研究方法的客觀基礎(chǔ)、適用范圍、運用技巧，并將它們上升為理論。物理學(xué)的研究大致包括：（1）確定研究目標(biāo)搜集事實（2）提出假設(shè)（3）通過實驗或觀察來驗證、修改和發(fā)展假說（4）解釋實驗結(jié)果、分析推理和論證得出經(jīng)驗或結(jié)論。在研究的每一個階段都要運用一些基本的方法，在中學(xué)物理學(xué)方法論中，常用的方法有：比較與分類的方法、分析與綜合的方法、歸納與演繹的方法、抽象與理想化的方法、觀察與實驗的方法、數(shù)學(xué)方法、科學(xué)假設(shè)方

5、法、等效方法等等。2方法論在現(xiàn)代中學(xué)物理教學(xué)中的重要性中學(xué)物理方法論在現(xiàn)代中學(xué)物理教學(xué)中具有非常重要的意義。中學(xué)物理方法論包含的方法貫穿于物理學(xué)研究的整個過程之中，是物理學(xué)研究的重要手段。這些方法也是科學(xué)認(rèn)識論中的一個組成部分，他不僅對物理學(xué)的研究提供了科學(xué)的方法，當(dāng)然也是學(xué)生認(rèn)識活動中學(xué)習(xí)物理學(xué)知識和其他知識的良好方法。在物理教學(xué)中，經(jīng)常用這些方法可以將一些物理教學(xué)中比較復(fù)雜和難懂的問題轉(zhuǎn)化為比較簡單容易的情景，從而使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能得到事半功倍的效益，教師在教學(xué)過程中能更加得心應(yīng)手。比如中學(xué)物理的教學(xué)，當(dāng)在講述重力加速度的有關(guān)問題時，由于概念比較抽象，大部分學(xué)生難以理解重力加速度的大小與

6、方向是怎么回事。在引入了伽俐略的數(shù)學(xué)和實驗研究方法分析問題后，不但使重力加速度問題形象與簡單了許多，同時也使同學(xué)們在對分析問題的能力上更進(jìn)了一步。又如理想方法在熱運動中的引入，等效法在力學(xué)中的運用，都大大拓寬了學(xué)生的思維空間，并培養(yǎng)了他們形象思維的能力。如果將這些方法應(yīng)用、滲透到我們的教學(xué)之中，潛移默化的教給學(xué)生，對學(xué)生掌握知識、培養(yǎng)能力、提高思維品質(zhì)一定會起到“催化”的作用。也使教師的教學(xué)工作來一個飛躍，變原有的“知識傳授型”為“能力培養(yǎng)型”。培養(yǎng)出懂得科學(xué)的思維原理掌握研究方法、具備應(yīng)變能力和創(chuàng)造能力的高素質(zhì)的四化建設(shè)的接班人。（二）等效方法與中學(xué)物理教學(xué)等效方法作為諸多中學(xué)物理教學(xué)方法中

7、的一種，它除了擁有中學(xué)物理教學(xué)方法論的許多共同優(yōu)點外，他更具有其自身在中學(xué)物理知識學(xué)習(xí)方面的獨到之處，所以在這里讓我們來重點談?wù)撘幌滤谥袑W(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用。1等效方法定義等效方法究竟是一種怎么樣的方法？它到底又有何獨到之處？在學(xué)習(xí)重心概念時，學(xué)生對重力似乎很熟悉，以為很簡單。但仔細(xì)一想，并不那么簡單。物體有無數(shù)個微小的組成部分，實際上每個部分都受到微小的重力，這些微小重力的作用點各不相同。若是這樣來研究重力，復(fù)雜得無從下手。物理學(xué)的等效研究方法，就是設(shè)想把無數(shù)個微小的重力用一個等效的重力來代替。重心就是這個等效重力的作用點。我們用作用于重心的一個重力，等效的代替了實際作用于物體無數(shù)個點上的無

8、數(shù)個微小重力，這在物理學(xué)上叫做等效方法。 2等效法的分類在中學(xué)物理學(xué)習(xí)中常用的等效方法有：（1）作用等效法。如力的“合成”與“分解”、串并聯(lián)電阻的等效電阻、串并聯(lián)電容的等效電容。（2）過程等效法。如在變速運動中引入“平均速度”的概念，就把變速運動等效為勻速運動。又如平拋運動可以等效分解為水平方向的勻速直線運動和自由落體運動。（3）效應(yīng)等效法。如引入交流電流有的效值概念。讓交流電在一定時間內(nèi)通過電阻的發(fā)熱量，等效于直流電在相同時間內(nèi)通過同一電阻的發(fā)熱量，為交流電路的計算和測量提供了依據(jù)。（4）表述等效法。是利用物理規(guī)律在表述上的等效性，來探尋新的科學(xué)原理，把某領(lǐng)域的已知規(guī)律推廣到其他領(lǐng)域來處理問

9、題的一種方法。3等效法的理論依據(jù)等效法作為一種有效可行的物理教學(xué)方法，它也有一定的理論依據(jù)。物理上的等效方法是指從事物間的等同效果出發(fā)，來學(xué)習(xí)和研究物理現(xiàn)象和物理過程規(guī)律的一種常用的科學(xué)思維方法，也是分析物理問題和解決物理問題的有效途徑。 一般的說，等效法就是在某種特定意義上，在得證結(jié)果相同的前提下，把實際復(fù)雜的物理現(xiàn)象、物理過程或物理問題轉(zhuǎn)化為理想的、簡單的、等效的物理現(xiàn)象、物理過程和物理問題進(jìn)行研究和處理。二、 等效法在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用 由于等效方法具有簡單方便的特點，在中學(xué)物理教學(xué)中常使用等效方法對一些比較復(fù)雜、抽象的問題進(jìn)行分析，從而達(dá)到簡化的作用。（一）等效方法在中學(xué)物理教學(xué)中的

10、重要作用1等效法與學(xué)生思維發(fā)展中學(xué)物理教學(xué)中的等效方法對學(xué)生的思維發(fā)展有著極其重要的作用。教學(xué)實踐證明，在教學(xué)過程中，按照學(xué)生認(rèn)識規(guī)律，有目的、有計劃、循序漸進(jìn)的啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用物理等效轉(zhuǎn)換的方法來研究處理比較復(fù)雜的物理問題，并幫助他們歸納、總結(jié)、提高，使他們熟悉并掌握這種研究的思想方法，不但能使學(xué)生加深對物理概念規(guī)律的理解，提高解題技巧，促進(jìn)知識技能的遷移，舉一反三，觸類旁通，而且對開發(fā)學(xué)生智力，發(fā)展創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力將起著不可低估的作用。2等效法在中學(xué)物理教學(xué)中的重要意義等效法在中學(xué)物理課堂教學(xué)中的應(yīng)用有非常重要的意義。（1）利用等效代換法提出新概念。有的物理概念利用

11、等效代換的方法把他提煉出來，有助于學(xué)生領(lǐng)悟到所學(xué)概念的實質(zhì)。例如在學(xué)習(xí)有關(guān)電路的知識中，總電阻的提出就是這樣的。首先在教學(xué)中借助實驗讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)，電阻R1和R2串聯(lián)，R3和R4并聯(lián)后分別接在同一電路的兩點間，他們先后都與某一電阻單獨接在同一電路的兩點間產(chǎn)生的效果是相同的，可以得到相同的電壓和電流強度，在此基礎(chǔ)上便可引入總電阻的概念，這總電阻分別是電阻R1和R2串聯(lián)或R3和R4并聯(lián)的等效電阻。這種教學(xué)過程有益于促使學(xué)生領(lǐng)悟到總電阻概念的實質(zhì)，使學(xué)生以等效為出發(fā)點理解總電阻概念，而不是片面抓住“總”字，把總電阻理解為各電阻的電阻值之和，錯誤地把總電阻的計算歸結(jié)為加加減減，這樣就會對并聯(lián)電路總電阻的計

12、算方法感到難以理解。（2）利用等效代換法獲得新知識。在阿基米德定律的教學(xué)中，利用等效代換法獲得物體在液體中受到的浮力的大小等于物體排開的液體受到的重力這一結(jié)論。具體過程是:在靜止液體內(nèi)部選取一部分與待研究物體形狀大小均相同的液體為對象，因所選的這部分液體處于靜止?fàn)顟B(tài)，由二力平衡的知識得出：周圍液體對這部分液體的浮力大小等于它自身受到的重力大小，然后假設(shè)用物體代換所選的這部分液體，可知，物體受到的周圍液體對它的浮力大小等于被代換的那部分液體受到的重力，換句話說，浸在液體中的物體受到浮力的大小等于物體排開的液體受到的重力。（3）利用等效代換法幫助學(xué)生理解知識。在關(guān)于熱量的教學(xué)中，教材對水所吸收的熱

13、量大小跟水的質(zhì)量升高的溫度之間存在的比例關(guān)系沒有設(shè)置實驗去證實，也沒有加以論證，因而學(xué)生只能把他們間存在的關(guān)系建立在自己憑直覺判斷問題的基礎(chǔ)上，很不深入，采用等效代換法可以幫助學(xué)生找到知識的依托點，使學(xué)生能深入理解這部分所學(xué)的知識。現(xiàn)以證實熱量與質(zhì)量間存在的關(guān)系為例作一分析：52克水溫度升高1吸收多少熱量？如果把52克水等分成52份，再分別讓每份是1克的水溫度升高1，那么，每份水吸收了1卡的熱量，它們共計吸收了52卡的熱量，再把這52份1克的水合到一起，52克水溫度升高了1，用以上的過程取代52克水直接吸收熱量溫度升高1這一過程，它們的效果是等效的，可以發(fā)現(xiàn)，52克水溫度升高1吸收的熱量是1克

14、水溫度升高1吸收熱量的52倍。（二）等效法的實際使用1實例分析在中學(xué)物理教學(xué)中常用等效方法，來簡化有些難以用其他方法講清楚的問題。在研究力學(xué)問題時，根據(jù)分力與他們的合力的等效性和力場的疊加原理，進(jìn)行等效力場模型轉(zhuǎn)換，不但能使解題方法更新穎簡捷，而且還可以加深學(xué)生對有關(guān)概念規(guī)律的理解，培養(yǎng)靈活運用知識的能力。例如：對于高中物理（甲種本）第46頁習(xí)題中的第四題：20牛、30牛和40牛的三個力作用于物體的一點，它們之間的夾角都是120°，求合力的大小和方向。一般解法是：根據(jù)力的合成的平行四邊形法則和公式，先求其中兩個力的合力的大小和方向，再與第三個力合成。如圖1所示，先求 與的合力： 圖1

15、 再求與的合力，此時與夾角可見此題計算相當(dāng)復(fù)雜，由于學(xué)生對計算公式中的角度/和，理解模糊，以及在復(fù)雜計算過程中的失誤，錯誤率很高。若此題用等效法來解，則要簡便得多了。 圖2 最簡單的方法是從力的效果入手考慮，如果三個力大小相等，夾角互為1200，則此三個相對稱的合力應(yīng)為零。應(yīng)用這一結(jié)論，就可把上題等效變換為夾角為1200的10牛，20牛的兩個力的合力的簡單問題了。（圖2）這樣不但解題過程能大大簡化，而且，學(xué)生對合力為等效力這一概念的理解也能更深一步。在許多有關(guān)物體運動過程的問題中，我們也常采用等效方法。比如當(dāng)我們在講述某些變化過程復(fù)雜的物理問題時，若能抓住每一個過程的本質(zhì)特征，將復(fù)雜的過程等效

16、轉(zhuǎn)換為一個或幾個簡單的過程，使問題的研究得到簡化。如有兩塊大小不同的圓形薄板（厚度不計），質(zhì)量分別為M和m，半徑分別為R和r，兩板之間用一根長為l=0.4米的輕繩連接。開始時，兩板水平放置并疊合在一起，靜止于高度為h=0.2米處，如圖(a)。然后自由下落到一個固定支架c上，支架上有一半徑R1(r<R1<R)的圓孔，圓孔與兩薄板中心均在圓板中心軸線上。上板與支架發(fā)生沒有機械能損失的碰撞，碰撞后，兩板即分離，直到輕繩緊繃。在輕繩緊繃瞬間，兩物體具有共同速度，如圖(b)所示。問：（1）若M=m,則值為多大？（2）若M/m=k，試討論的方向與k之間的關(guān)系，取。分析：本題物理過程比較復(fù)雜，很

17、難一下子找到與它相對應(yīng)的物理過程模型，為此將整個過程分為幾個過程，并分別轉(zhuǎn)換成相應(yīng)等效的明了的過程模型來求解。（1）兩板自由下落過程，將兩板作為一整體，并抽象為一個質(zhì)點自由落體過程模型。Mm與固定支架碰撞前速度（2） 大圓板M與支架c相碰，而無能量損失，可抽象為M與c發(fā)生彈性碰撞，碰后M豎直上拋，m豎直下拋的運動模型設(shè)碰后至細(xì)繩繃緊前歷時為t，細(xì)繩繃緊前M的速度為，m的速度為，M跳離支架高度為，m下落距支架高度為。則：聯(lián)立上式求解得： 方向向上 方向向下（3）細(xì)繩繃緊瞬間，兩板通過繩的相互作用獲得共同速度；抽象成大板和小板發(fā)生完全彈性碰撞的過程模型 由于細(xì)繩繃緊時間極短，重力沖量可忽略不計，繃

18、緊過程動量守恒，則有：當(dāng)M=m時，當(dāng)M/m=k時，討論： 當(dāng)k<3時，>0，兩板向下運動 當(dāng)k>3時，<0，兩板向上運動 當(dāng)k=3時，=0，兩板瞬時靜止圖(a) 圖（b）通過上述兩例中等效方法的應(yīng)用在很大程度上簡化了問題的求解，在中學(xué)物理教學(xué)中等效方法的應(yīng)用已經(jīng)成為一種分析處理一些復(fù)雜物理過程的有效手段。在中學(xué)物理教學(xué)過程中如何使學(xué)生掌握等效思維方法已經(jīng)成為許多物理教師共同研究的一個重要問題。2在物理教學(xué)中如何引導(dǎo)學(xué)生運用等效法 建立等效的物理模型(1)分析物理受力情況，尋找等效物理模型。有一些力學(xué)題，所研究的對象到底怎樣運動初看起來無從下手。但認(rèn)真對研究對象進(jìn)行受力分

19、析，往往可以發(fā)現(xiàn)其受力情況和我們熟悉的某一研究對象相同，因而可以用這個研究對象等效替代。 (2)通過分析物理過程的特點尋找等效物理模型，如我們比較熟悉的靜電場為點電荷的電場和勻強電場。我們用電力線來形象描述電場的性質(zhì)，若兩電場的電力線分布一樣，則電場的性質(zhì)一樣。(3)從分析物理量的內(nèi)涵和外延來尋找等效物理模型。如當(dāng)外電路斷開時，電源兩端電壓等于電源的電動勢。(4)根據(jù)作用的效果建立等效物理模型。如在磁場中我們常用等效長度來計算通電導(dǎo)線在勻強電場中受到的安培力；在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中我們常用等效長度來計算動生電動勢。建立等效物理過程(1) 分清主次，建立等效物理過程，有些題目物理過程比較復(fù)雜，若抓住主

20、要因素，建立一個理想化的物理過程來替代，可使問題簡化 (2)根據(jù)效果建立等效物理過程。如等效重力場。三等效法與其它方法的有機結(jié)合在分析許多復(fù)雜的物理問題時，僅靠一種物理教學(xué)方法，已經(jīng)很難有效而明了地把問題講清楚。只有通過多種方法的有機結(jié)合，才能使原本無從下手的問題迎刃而解，等效法的使用同樣也要與其他方法有機的結(jié)合起來。（一） 等效法的優(yōu)缺點分析1.等效法的優(yōu)勢 在物理學(xué)中應(yīng)用等效法來處理一些問題，能使問題化繁為簡，變難為易，甚至使在中學(xué)物理中難以解答的問題得以解決。事實上，在許多問題的求解中，學(xué)生常常自覺不自覺地應(yīng)用等效法，如果教師能在教學(xué)過程中，注意對學(xué)生的啟發(fā)，引導(dǎo)和提高，幫助他們進(jìn)行歸納

21、，總結(jié)及必要的糾錯；能把等效法作為一種科學(xué)研究的思想方法，而不是僅僅作為一種解題的手段，并按學(xué)生的認(rèn)識規(guī)律，有步驟地，由淺入深的介紹給學(xué)生，則在使學(xué)生熟悉，掌握等效法的過程中，不但對他們解題技巧和能力的培養(yǎng)將起有效的作用，而更重要的是，這一過程對發(fā)展思維，開發(fā)智力以及促進(jìn)各科知識，技能的遷移都將起不可低估的作用。 2.等效法的缺陷任何事物都有兩面性，雖然等效方法在中學(xué)物理教學(xué)中對學(xué)生的思維方法，解題技巧等多方面有重要影響，但是等效方法同樣有它的缺陷。首先，等效是事物在某一特定意義上具有相同的效果，所以等效并非等同。在處理那些能用等效法進(jìn)行分析的問題中，仍要對研究對象進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的分析，找出它與理想模型間的共同點。其次，對同一事物的等效變換方式并不是唯一的，注意選擇最有效的等效方法。這就給學(xué)生在用等效法處理問題時帶來了很大的麻煩，同時也要求學(xué)生一定要能找到最佳理想模型。最后，等效變換都有其適用的相應(yīng)范圍。同學(xué)們一定要搞清楚等效的物理含義，區(qū)分等效法的適用范圍。（二）等效法的合理使用1.等效法與其它方法的互補性通常情況下，在研究一些復(fù)雜問題時，常把等效方法與其他教學(xué)方法結(jié)合起來使用。在物理