“等效法”在高中物理教学中的应用及策略探讨

【摘 要】物理思想方法是物理学科的重要培养对象。物理知识是显性的、具体的，而物理思想方法是隐性的、抽象的。“等效法”是物理思想方法中重要的方法之一，具有隐蔽性高、适用范围广的特点，给教师的教学和学生的学习与应用带来很大的困难。文章对“等效法”的概念进行了界定，并论述了其在高中物理教学中的作用和策略。

【关键词】物理模型;等效概念;等效法;等效过程

【作者简介】安磊，柳州铁一中学物理教研组长，一级教师，主要研究方向为高中物理教学。

科学思维是物理学科核心素养的重中之重，是物理观念、科学探究、科学态度与责任的基础与内核。物理课程设置、教学实施应以提高和发展学生的科学思维为核心。[1]物理思想方法是物理学科的灵魂，是物理学科区别于其他学科的标志，也是培养学生科学思维的具体路径。“等效法”作为物理思想方法中重要的方法之一，其既是高中物理教学的重点也是难点。本文从“等效法”概念的界定、“等效法”在认识高中物理的作用等方面探讨“等效法”教学的策略。

一、“等效法”概念的界定

“等效法”指在保证效果相同的前提下，将陌生的、复杂的、难处理的问题转换成熟悉的、容易的、易处理的一种科学思维方法[2]。自然界物质的运动、构成及相互作用过程中存在各种各样的等同性，比如，某个物理量、物理规律、物理模型等可以等同于学生熟悉的其他事物，从而为问题解决提供简单、便捷的方法指引。教师在教学中要明晰等效的是哪个物理量、物理规律、物理模型等，为学生提供有效的指导，帮助学生更好地理解物理知识。

二、“等效法”在高中物理教学中的应用及策略

物理学的研究多数是对模型的研究，可以将实际物体、实际问题简化为简单直观的理论模型，使得理论模型在一定程度上跟实际物体、实际问题有着等效的作用。高中物理中经常利用等效的思想来定义物理概念，研究物理规律，描述物理现象等。

（一）利用“等效法”具化抽象概念

物理概念往往比较抽象，其内涵及外延均比较难理解，相当多的物理概念在定义过程中就利用了“等效法”，将复杂的过程转化为较为明晰的概念来描述。比如，对于人教版高中物理必修第一册（2019年版）“力的合成和分解”的教学，教师通常将这节课的重点放在合成与分解的数学运算上，对合力、分力的概念一带而过，缺乏概念生成的过程，学生不了解其物理含义，只是将力的合成理解为几个力的简单合并，把力的分解理解为力的简单拆分，因此在后面的合运动和分运动学习中很容易出错。

教师在教学中可以设置具体的实际情境，帮助学生理解。如图1所示，两个小孩可以提起一桶水，一个大人也可以提起同样的一桶水。教师让学生比较两种情况有哪些相同之处，学生很容易回答出都把桶提起来了，两次提桶的效果相同。接着，教师引导学生画出两次人对桶的作用力示意图（如图2），并引导学生归纳：如果一个力作用在一个物体上，它产生的效果与几个力同时作用在这个物体上的效果相同，我们就把这个力叫作那几个力的合力，那几个力就叫作这个力的分力，显然分力与合力在效果上可以相互替代。通过这样的情境生成合力与分力的概念，很自然地运用了“等效法”，使知识点变得简单易懂，学生学习物理知识的同时，提升了物理学科核心素养。

（二）利用“等效法”简化物理过程

通常情况下，遇到比较复杂、抽象的物理过程时，往往需要将其与已知的物理过程建立等效关系。如果一个复杂的物理过程与若干个简单的物理过程是等效的，我们就可以用这若干个简单的过程来替换该复杂的物理过程，这样的处理方式就是利用了“等效法”。

比如，曲线运动是学生在高中阶段第一次接触的比较复杂的运动，是高中物理教学中的重难点，也是自然界普遍存在的一种运动形式。在教学中，教师可以让学生参与实验，建立合运动、分运动的概念，从而掌握曲线运动的处理方法。第一次实验：学生甲先将玻璃管紧贴黑板，玻璃管内放一蜡块，装满水，塞上木塞[如图3（a）]，再将玻璃管竖直倒置后静止不动[如图3（b）]，同时，学生乙观察蜡块缓慢上浮，每隔时间T就在黑板上标记蜡块的位置。第二次实验：学生甲将玻璃管倒置后，在蜡块上浮的同时缓慢水平移动玻璃管，学生乙每隔时间T在黑板上标记蜡块位置[如图3（c）]。实验结束后，教师引导学生分析两次实验，并得出结论：第一次实验，蜡块的运动可近似看作竖直向上做匀速直线运动;第二次实验，蜡块既做竖直运动，又做水平运动，这两个运动合起来就是它的实际运动，也就是说，实际运动与竖直运动和水平运动合起来是等效的。我们把物体的实际运动叫作合运动，物体同时参与的若干独立运动叫作分运动，合运动与分运动可相互替换。在此基础上，教师可以引导学生思考，若第二次实验中，玻璃管在水平方向上做匀加速直线运动，应该如何研究此种情景下蜡块的运动，让学生体会“等效法”的精妙之处，在重视概念生成的同时，渗透物理思想。这样，既构建了新知，又激活了学生思维，并为后续研究平抛运动做了很好的铺垫。

（三）利用“等效法”研究物理规律

在研究复杂问题时常用的方法是用熟悉的简单方法来处理，若复杂问题的某一部分规律与简单问题的方法规律相同，我们就可以用简单问题的方法规律来等效替换复杂问题的这一部分规律。

比如，测量电源的电动势和内阻是物理实验教学的重难点，特别是对于误差的分析。测量电源电动势和内阻的实验原理图如图4所示，在教学中，教师一般采用的方法是改变滑动变阻器滑片的位置，读出电流表与电压表的示数，画出I-U图像，根据图像信息得出电动势和内阻。由于电流表的分压作用导致测量有系统误差，采用这样的分析对学生来说难度较大，很难达成教学目标。为此教师需要改变教学策略，如图4，虚线框中的电流表和实际电源可以看作一个电源，这样的电源叫作等效电源。滑动变阻器和电压表为外电路，等效电源的电动势等于外电路开路时的电压，与实际电源的电动势相等，等效电源的内阻为实际电源的内阻与电流表阻值之和。因此，用这样的电路测量的电动势与真实值相同，测量的内阻偏大。这样的教学设计学生易于理解，符合深度教学的原理，更能触及物理学的本质，逐步让学生学会举一反三、触類旁通，激发学生学习物理的兴趣。

三、使用“等效法”的教学建议

（一）变隐性教育为显性教育

“等效法”不是具体的知识点，而是隐藏在知识点背后的物理思想方法。人教版物理教材中通篇没有出现“等效法”的字样，教师在教学中也经常忽视物理思想方法的教育，或者一句“等效替换”一带而过，最终学生只留下模糊不清的印象，遇到问题也很难想到用“等效法”去解决。

教师要以教材、习题为载体梳理常见的“等效法”的定义概念、研究规律、等效的物理模型，挖掘应用“等效法”的教学案例。在教学过程中，教师可以通过创设具体情境，采用问题驱动的教学模式，逐步引导学生看到其隐藏的物理本质，变隐性教育为显性教育。

（二）搭建合理的思维台阶

在使用“等效法”研究物理规律时，教师要注意对学情进行分析，给学生搭建合理的思维台阶，让学生在充分发挥自己能力的基础上解决问题。下面以一道习题为例分析“等效法”解决等效模型的教学策略。

例：如图5所示，在竖直平面内固定一个圆心为O、半径为R的绝缘光滑圆形轨道，AC为竖直直径，轨道处于电场强度大小为E、方向水平向左的匀强电场中。一个质量为m的带正电小球（视为质点）静止在圆形轨道的D点处。OD与OC的夹角为60°，重力加速度大小为g，给小球一个沿切线方向的初速度v0 ，使其在竖直平面内做完整的圆周运动，求v0的最小值。

该题是复合场中的动力学问题，物体受力较多，过程较为复杂，要用到牛顿第二定律、功能关系、临界问题等分析，基本模型是竖直平面内的圆周运动，学生很容易将物体通过A点作为临界情况进行分析。

四、结语

教师要重视物理思想方法的教育，这是培养学生科学思维的关键和具体路径。教师可以通过设置具体情境，让学生在问题驱动下，通过小组合作探究情境背后的物理本质，达到触类旁通、举一反三的效果[3]。遇到复杂多变的问题时，教师可以搭建合理的思维台阶让学生逐步发掘问题背后的物理本质，进而掌握物理学研究的方法，顺利解决实际问题。

参考文献：

[1]董博清，彭前程.核心素养视域下科学思维的内涵及其实现路径[J].课程·教材·教法，2019（4）：84-90.

[2]邢红军，张抗抗.论物理思想的教育价值及其启示[J].教育科学研究，2016（8）：61-68.

[3]徐展，程承平. 高中物理“等效法”的内容梳理与教学建议[J].中学物理，2016（3）：48-49.

（责任编辑：羅小荧）