等效法在物理教学中的应用，本文主要内容关键词为：物理论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
等效法是中学物理中一种常见而重要的科学思维方法，是学习和研究物理必须熟练掌握的。等效法，顾名思义就是用量值相等、效果相当来研究和处理问题，即在效果不变的前提下，将复杂问题简单化，抽象问题形象化，从而有效快速地研究和解决许多疑难问题。
一、认识等效法
1.根据效果相同来命名物理概念
例如表征交变电流的物理量中提到“交流电的有效值”，“有效”二字从何而来？是让交流和直流通过相同阻值的电阻，若它们在相同的时间内产生的热量相等，就把这一直流的数值叫做这一交流的有效值，这是用电流做功的功率相等、效果相同来定义的，由此把一个复杂问题简单化了。又如在物体的内能中提到“热功当量”，是从做功和热传递在改变物理的内能上是等效的，从效果相当找到了热和功两者之间的等量关系，“当”即效果相当。诸如此类，举不胜举：合力与分力——等效力，合运动与分运动——等效运动，总电阻与分电阻——等效电阻，还有等效电路、等效电流、等效电源等等，“等效法”确切、形象地命名了一些复杂的物理概念。
2.根据效果相同设计实验验证物理规律
学生分组实验《用描迹法画出电场中平面上的等势线》，就是用稳恒电流的电场来模拟静电场，从而描绘静电场的等势线，模拟的原理就是效果相当。《半偏法测电表内阻》，则直接应用效果相当、阻值相等测出电表内阻。
3.根据效果相同导出重要规律
力的平行四边形法则，是根据力的作用效果相当的原理找出等效力的计算规律。动量定理可由牛顿第二定律导出：F=ma=m
v/t，Ft=mv，即找出了I与P的等量关系。动能定理、热力学第一定律、光电方程，都是从功与能的量值相等导出的物理规律。
4.根据效果相同来研究更复杂的物理现象
简谐运动是机械运动中最复杂的一种运动，其变加速、变减速使学生无所适从，但匀速圆周运动是学生已熟练掌握的一种运动，而匀速圆周运动的投影即为简谐运动，这样可以把匀速圆周运动的物理量、运动规律进行等效处理后来描述简谐运动。
核外电子的绕核运动也是一种复杂运动，我们可通过轨道量子化将这种复杂运动转化成有规律的匀速圆周运动。事物间的等效联系使我们可以运用基本规律去研究更为复杂的物理现象。
综上所述，等效思维在物理学中起着十分重要的作用。
二、应用等效法
1.等效替换
平抛运动是物体只受重力作用水平抛出的匀变速曲线运动，但带电小球在电场、磁场的复合场中可以做类似平抛的运动，由于运动性质等效，就可以用平抛运动的规律来处理平抛类问题。同理，只要将一些物理量进行等效处理，对一些复杂问题的研究对象进行同类等效替换，复杂就变得简单，繁琐就变得快捷。
例1 如图1所示，质量为m，长为L的匀质铁链，平放在光滑水平桌面上，铁链有L/4长悬挂于桌子边缘，松手后铁链向下滑动，求整个铁链刚离开桌子边缘时的速度大小。
图1
分析 本题的关键是铁链滑动过程中铁链的机械能守恒，即铁链的重力势能转化为自身的动能，只要将原水平桌面上长3L/4的铁链与最后挂在最下面的3L/4长的铁链比较，这两部分重力势能的变化等效于整个铁链重力势能的变化，即有：3/4mg×（3/4L×1/2+L/4）=1/2mv[2]从而，得v=
2.等效转换
一些较复杂的物理问题，可将物理过程、物理情境、物理模型等进行等效转换，也可以变复杂为简单，从而选用一些相关的基本规律就可列式求解。
例2 物理过程等效，如图2所示，质量为m的小球拴在长为L的细绳一端，另一端固定在动摩擦因数为μ的水平桌面上，求小球在桌面上转动一周克服摩擦力做的功。
图2
分析 小球所受的摩擦力是个变力，所以本题是变力做功的复杂问题，本应用动能定理，但只要将过程进行等效转换，即可将变力做功转化为恒力做功。根据功是力对空间的积累效应，故本题小球转一周的过程等效于在恒定摩擦力作用下在长为该一个圆周长的直线上的恒力做功问题。即：W[，f]=μmg2πL
例3 某人在一只静止的小船上练习射击，船、人连同枪（不包括子弹）及靶的总质量为M，枪内装有n颗子弹，每颗质量为m，枪口到靶的距离为L，子弹射出枪口时对于地面的速度为v，在发射后一颗子弹时，前一颗子弹已陷入靶中，则在发射完n颗子弹后，小船后退的距离为多少？（不计水的阻力）
分析 n颗子弹分别与船的相互作用过程，可等效成n颗子弹一起由枪口射出并同时陷入靶中。设船后退距离为s，因整个系统动量守恒，必有系统平均动量守恒，则有：nm（（L-S）/t）=M（S/t），得S=（nmL）/（M+vm）
例4 物理情境等效，在研究宇宙发展演变的理论中，有一种叫做“宇宙膨胀说”，认为引力常量G在缓慢地减小，根据这种理论，试分析现在太阳系中地球的公转轨道半径、周期、速率与很久很久以前相比变化的情况。
分析 “宇宙演变”是讨论其“膨胀”和其天体的运动，本题是研究宇宙太阳系中地球的运动，其物理情境等效于地球在万有引力作用下绕太阳做匀速圆周运动，即F[，引]=G（Mm/r[2]）
因为G变小，所以F[，引]变小，地球做离心运动（向心力不足），轨道半径增大，又由G=（Mm/r[2]）=m（v[2]/r）=m（4π[2]/T[2]）r可知v减小，T增大
例5 物理模型等效，如图3所示，半径为R的绝缘圆环上带有电量为Q的正电荷，Q在环上均匀分布，环的正上方有一很小的缺口，缺口宽度为d，且d
2πR，环心放有带电量为+q的点电荷，求环上电荷Q对环心点电荷+q作用力的大小和方向。
图3
分析 中学物理中只讲点电荷的相互作用，遵循库仑定律，因此必须将环电荷的物理模型等效转换成点电荷的物理模型，思路是：如将环缺口补上，则环上电荷对环心点电荷的作用力为零，与原环电荷比较，多了一个缺口处宽度为d的正点电荷对环心点电荷的作用力，即可将原环电荷转换成点电荷，从而用库仑定律求解。
即：
，方向与此力F反向。
物理中的等效处理，除了量值相等，过程相当，模型相同，还有研究对象等效、情境等效、方法等效、原理等效等。在等效处理的过程中，要认真地将两种情况做深入的比较、分析和鉴别，准确找出复杂的物理过程、物理情境中最本质的具有共性的东西，这对进一步深化物理概念、原理，进一步熟练物理规律起着十分重要的促进作用，有利于知识迁移进而转化成分析、解决问题的能力。
三、培养等效法
既然等效法是研究物理问题的重要思维方法，是解决物理复杂问题的有效途径，我们就要在平时的物理教学中注意研究和培养，把学习培养等效法作为物理教学的一项基本任务。
1.从头抓起，积极渗透
高一开始学习力学，学到力的合成与分解时，就要紧紧抓住等效力，用深入浅出的手段进行等效思维方法的教育。学到运动的合成与分解时再不断深入，让学生尽快掌握等效思维的原则和基本方法，也让学生尽早认识并领悟等效思维是研究物理问题的一种科学的行之有效的研究方法。
2.及时引导，贵在坚持
物理教学中遇到复杂问题时，要有意引导学生用等效替换、等效转换的思想来试一试，学生尝到成功的喜悦后要善于分层递进，螺旋上升，要做到及时引导、适时点拨，要学生熟悉准确运用等效思维的方法，绝非一日之功，切不可操之过急，重在指导，贵在坚持。
3.渗透思想，培养能力
学好物理，单靠等效思维是远远不够的，也不能一见复杂问题就用等效思维来处理。重视等效思维的目的是为了进一步培养学生学习物理和解决问题的能力，所以在渗透等效思维的同时，必须把培养能力放在首位，让每一位学生学会思索、学会分析、学会总结、学会面对，而等效法正是培养物理能力的一种重要途径。