等效思想在高中物理新課程中的應(yīng)用

1、文檔供參考，可復(fù)制、編制，期待您的好評與關(guān)注！ 等效思想在高中物理新課程中的應(yīng)用魯世明 （江蘇省姜堰中學(xué) 225500）摘要：等效思想在高中物理新課程教學(xué)中有重要應(yīng)用，按等效形式的不同，可將其分為模型等效替代、過程等效替代、作用等效替代、本質(zhì)等效替代四種。每種等效形式都有其獨(dú)特的等效條件、巧妙思想和應(yīng)用魅力。關(guān)鍵詞：高中物理 新課程 等效思想 等效方法物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)最基本、最普遍規(guī)律及物質(zhì)構(gòu)成、物質(zhì)間相互作用的科學(xué)。物理思想是物理學(xué)的靈魂。新課程的實(shí)施，要求我們高中物理教師在平時(shí)教學(xué)中，要卓有成效地對學(xué)生進(jìn)行物理思想教育。而等效思想是高中物理中涉及最廣泛的具體物理思想。所謂等效思想，其實(shí)

2、質(zhì)就是人們研究事物和運(yùn)動(dòng)時(shí)從事物的等同效果出發(fā)，將其轉(zhuǎn)化為等效的、簡單的，易于研究的物理事物；只要兩個(gè)不同事物或運(yùn)動(dòng)具有相同的功能和結(jié)果，就可使二者相互代替，視為等效。下面重點(diǎn)闡述等效思想在高中物理新課程教學(xué)中的具體應(yīng)用。一、模型等效替代在研究解決物理問題的過程中，我們常常用簡單的，易于研究的模型來代替復(fù)雜的物理原型，這種方法稱為模型等效替代法。高中物理中模型等效替代主要有二種形式，其一是物理概念的理想化模型，其二是物理對象的理論模型。1物理概念的理想化模型等效物理上許多概念，是對實(shí)際事物的科學(xué)抽象，是用等效思想方法概括出理想模型。如質(zhì)點(diǎn)、理想氣體、點(diǎn)電荷、絕對黑體等都是一定條件下，對實(shí)際客體

3、的一種等效替代。我們在課堂教學(xué)中必須使學(xué)生加深對等效思想和方法的理解。例如，用等效思想講“重心”概念，可使學(xué)生加深對重心的理解，明確重心是物體對重力的等效作用點(diǎn)。例1質(zhì)量為m的均勻木板長為L，放在水平桌面上，木板與桌面間動(dòng)摩擦因數(shù)為，現(xiàn)用水平力推木板，運(yùn)動(dòng)到圖1所示位置時(shí)，其中 長度伸出桌面，此時(shí)木板所受桌面對它滑動(dòng)摩擦力多大？錯(cuò)誤解法：物體對桌面壓力只等于物體重力的 ，即FN= mg，f=FN= mg，正確解法：物體對桌面壓力等于重力，因?yàn)橹亓Φ淖饔命c(diǎn)即重心在桌面上即FN=mg，f=FN=mg，當(dāng)然，物理概念的理想化模型等效，要注意把握等效條件，否則也可能得到錯(cuò)誤結(jié)論，如庫侖定律 ，就不能說

4、r0時(shí)，F(xiàn) 。因?yàn)榇藭r(shí)點(diǎn)電荷模型已經(jīng)不成立了。2研究對象的理論模型等效物理中許多實(shí)際對象的描述都可以建立理論模型，不同理論模型可解決不同層次問題，例如原子模型可以是核式結(jié)構(gòu)模型，也可以是玻爾模型；而波粒二象性模型可代替光的實(shí)物粒子，表征光和實(shí)物粒子的特征。二、過程等效替代所謂過程等效替代，就是用一種或幾種簡單的物理過程代替一種復(fù)雜的物理過程的方法。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。1物理理想過程等效替代實(shí)際過程理想過程是對實(shí)際過程的抽象，其目的在于通過對理想過程的研究，了解實(shí)際復(fù)雜過程的規(guī)律。例如研究拋體運(yùn)動(dòng)時(shí)我們忽略運(yùn)動(dòng)阻力影響；用準(zhǔn)靜態(tài)過程等效替代實(shí)際熱力學(xué)過程。這些都是理想過程等效替代實(shí)際過程的例子。

5、尤其是課本心修中伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)的研究，通過理想斜面等效替代實(shí)際斜面，這個(gè)當(dāng)時(shí)無法實(shí)際操作的“理想實(shí)驗(yàn)”為牛頓第一定律的建立奠定了基礎(chǔ)，也讓我們見識了理想過程等效的魅力。2物理簡單過程等效替代復(fù)雜過程在高中物理中，“平均速度”“平均加速度”概念的引入，使得我們在處理非勻速運(yùn)動(dòng)問題時(shí)，可轉(zhuǎn)化為勻變速運(yùn)動(dòng)處理；而復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)都可以等效分解為幾個(gè)簡單的運(yùn)動(dòng)過程。例2如圖2所示，從足夠長固定斜面頂端以v0水平拋出一個(gè)物體，求該物體運(yùn)動(dòng)過程中離開斜面最大距離？解：本題可將平拋運(yùn)動(dòng)等效分解為水平方向勻速運(yùn)動(dòng)和豎直方向自由落體運(yùn)動(dòng)。但若以沿斜面向下方向?yàn)閤軸和垂直斜面向上為y軸分解v0和加速度g，則物體

6、在x軸勻加速運(yùn)動(dòng)，在y軸類似豎直上拋運(yùn)動(dòng)，很容易求出最大距離為 三、作用等效替代作用等效替代是指從不同物理事物或同類物理事物的不同形式在某一物理過程中對外界所產(chǎn)生的作用及效果相同出發(fā)，來研究物理事物的本質(zhì)和規(guī)律，分析處理物理問題的一種思維方法。1力的作用效果等效替代若一個(gè)力作用效果與幾個(gè)力作用效果相同，則引入合力與分力概念，我們可以用合力等效幾個(gè)分力作用效果，也可以用幾個(gè)分力等效一個(gè)合力作用效果。例3如圖3，質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)與均勻球M球心相距2R，球M半徑為R，二者之間引力為F，現(xiàn)挖去右邊半徑為 的小球，則剩余部分與質(zhì)點(diǎn)m的萬有引力為多大？解：挖去球質(zhì)量M1= M，剩下球質(zhì)量M2= M，我們不可

7、直接利用高中數(shù)學(xué)知識應(yīng)用萬有引力公式，求M2與質(zhì)點(diǎn)m間引力。我們可以先求出挖去球M1與質(zhì)點(diǎn)m的萬有引力F1= F，而大球M與質(zhì)點(diǎn)m引力F可用M1與m引力F1與M2與m引力F2的矢量和等效替代，所以可得F2=FF1= F2場的作用效果等效替代在靜電場中，求某些特殊電場的場強(qiáng)時(shí)，我們可以利用場的作用效果等效，根據(jù)電場線類同，用常見已知的電場等效替代該電場，往往很容易解決問題。例4如圖4-1所示，點(diǎn)電荷+Q、與接地的原來不帶電的金屬板相距r，求O點(diǎn)場強(qiáng)E。解：由靜電平衡知識可知，電場線分布如圖4-2所示，與在與A對稱位置放一等量異號電荷A的電場線等效。我們可用等量異號電荷電場等效替代該電場，從而計(jì)算

8、出O點(diǎn)場強(qiáng)E= ，方向水平向右。3電流的熱效應(yīng)等效替代交流電流有效值的提出，就利用了作用等效替代思想。我們從交、直流電通過同一電阻相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生相同熱量的事實(shí)出發(fā)，用直流電的數(shù)值定義交流電的有效值。例5如圖所示一周期性電流，試求電流的有效值I解：前 ，I1= A后 ，I2=4A由電流熱效應(yīng) I2RT= I12 R + I22 R ，求得I= A高中物理中，作用等效替代涉及規(guī)律很多，但卻必須滿足獨(dú)立作用原理，即這些簡單的過程和現(xiàn)象同時(shí)存在時(shí)，互不影響，互不作用，保持其獨(dú)立作用效果。四、本質(zhì)等效替代所謂本質(zhì)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規(guī)律或表述在本質(zhì)上相同為基礎(chǔ)而進(jìn)行的

9、等效替代的思維方法，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：1同一定律不同表述的等效替代例如，熱力學(xué)第二定律是熱學(xué)中一個(gè)很重要的宏觀定律。有三種表述形式：（1）開爾文表述為：不可能從單一熱源吸收熱量，全部用來對外做功而不引起其它變化（2）克勞修斯表述為：熱量不能自動(dòng)地從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其它變化（3）最簡單表述為：第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成。而本質(zhì)上這三種表述是相同的，可以等效替代的2同一物理規(guī)律在不同坐標(biāo)系中等效替代例如，狹義相對論有二條基本假設(shè)：其一是狹義相對性原理，其二是光速不變原理。狹義相對性原理指出：若兩坐標(biāo)系相對勻速運(yùn)動(dòng)，則物理系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)所遵循定律無論對這兩個(gè)參考系哪一個(gè)來說，是沒有關(guān)系的，是等效的。故在利用狹義相對論解決問題時(shí)，可任選一慣性參考系。愛因斯坦在廣義相對性原理中指出：一切參照系都是平等的，物理規(guī)律在任何參照系中相應(yīng)具有相同的形式。也就是強(qiáng)調(diào)同一物理規(guī)律在不同坐標(biāo)系中等效替代。綜上所述，等效思想