借助等效思想 助力物理教学

摘 要： 随着我国教育改革的深入，课堂教学模式在不断改革和创新，物理作为高中阶段的重要学科，教学模式也需要创新.高中物理知识内容较为抽象，逻辑性强，使得学生物理知识理解和运用有着一定的难度，影响课堂教学效果和质量.等效思想作为高中物理教学的重要思想，能够将抽象性、逻辑性强的知识变得形象、直观，降低知识学习和理解难度，提高学生学习效果.

关键词： 高中物理;等效思想;应用策略

中图分类号： G 632 文献标识码： A 文章编号： 1008-0333（2022）12-0101-03

收稿日期： 2022-01-25

作者简介： 田云龙（1993.2-），男，安徽省界首人，本科，中学二级教师，从事高中物理教学研究.

在高中物理课堂中，应用等效思想是将复杂的物理知识和模型变成简单的物理知识模型，利用事物之间的等同性，将其转化为易于研究的物理事物.等效思想是重要的科学研究方式，也是物理教学中的重要教学方式.作为高中物理教师，需要结合课堂教学内容，根据学生学习规律和特点，灵活利用等效思想，加深学生物理知识理解，掌握和运营物理原理，提高课堂教学效果和质量.本文探究等效思想在高中物理教学中的应用策略.

1 借助等效模型，优化课堂教学活动

等效模型是利用简单的、容易研究的物理模型替代复杂的物理课题，使得物理问题更加简单，利于学生学习和理解.在高中物理教学中，将等效思想和物理模型融合，将陌生物理情境和熟悉物理情境进行对比，用学生熟悉的物理模型对不熟悉模型进行分析和研究，提高课堂教学效果.

例如，在串联电路和并联电路的教学中，教师可以引入相应的物理问题：如图1所示，在电路图中， R 1 是定值电阻，R 2 是可变电阻，E是电源电动势，r是电源电阻，当R 2 的阻值是多少时，R 2 的消耗功率最大？

解析 在电源内阻不发生变化的情况下，电源输出功率随着电阻变化发生变化，但并非单调的，存在极大值的情况.当外电阻和内阻相同时，电源输出功率最大.在对R 2 的功率进行讨论时，因为R 2 并不是整个外阻，不能够直接套用结论.在分析时，将电源和R ;1 串联等效成新电源，R 2 即整个等效电源的外电阻，等效电源的内阻是R 1 +r，因此，当R 2 的阻值和等效电阻的内阻相同时，R 2 消耗的功率既是等效电源输出的功率，且是最大值.因此，高中物理课堂中，采用整体法进行等效模型构建，灵活利用等效思想，将物理知识内容简化处理，提高课堂教学效果，加强学生物理思想和方法培养，提高学生物理学习能力.

2 借助作用等效，指导学习方法

在高中物理教学中，面临的物理问题比较多，问题解决方式呈现多样化，如从物理本质思考问题方式，还可以通过物理作用等效的方式思考问题，帮助学生理解物理知识，引导学生掌握良好的学习方法.利用物理作用等效解决问题，主要是将不同物质在问题中的效果做出分类，以分类作为基础，对同类问题产生的特点进行研究，得到同类问题解决方式，结合物理问题类型不同采取相应的解决方式.在实际的应用中，利用作用等效代替复杂作用，使得问题变得简化，保证课堂教学效果.

如图2所示，一个质量为m的小球，其带电量是q，在整个区域加入一个场强为E的水平方向的匀强电场，小球的一端系着长为L的绳子，并且和竖直方向成45°的P点处于平衡.求解： 图2

（1）电场力的大小.

（2）如果小球被拉至到O点在同一水平位置的C点自由释放，则小球到达A点的速度是多少？此时绳子的拉力是多少？

（3）在竖直平面内，如果小球以P点作为中心进行摆动，求解摆动的周期.

（4）如果使小球在竖直平面做圆周运动，最大速度和最小速度分别在哪个点，大小是多少？

解析：在问题（1）解答中，小球在P点位置处于平衡状态，根据平衡条件可以求解出电场力.问题（2）中，由于小球在任意位置受到重力和电场力均不发生变化，因此，重力和电场力等效成新的合力，其大小F= 2 mg，方向与竖直方向成45° 角，方向为左下方.当小球从C点运动到A点时，整个过程的合力F做功为零，根据牛顿第二定律求解出绳子的拉力.（3）问题中，小球在等效合力的作用下做单摆运动，求解出等效重力加速度，进而求解出运动周期.（4）问题中，小球在等效场中做竖直平面做圆周运动，和重力场进行类比，小球速度最大应当在P点位置，其对称点的速度最小.

此物理问题属于运动模型和圆周运动的等效类比，在实际的教学中，需要借助常规模型受力特点，對类似的物理场景进行类比联想，实现复杂问题和简单问题的连接，完成物理知识的迁移.

3 利用过程等效，提高教学效果

在高中物理教学中，根据物理过程引入等效思想，优化课堂活动设计，提高课堂教学效果.在过程等效之前，需要对物理过程进行分类，保证含过程等效作用充分发挥.通常来说，物理过程主要有复杂过程和简单过程两种，复杂过程较为繁琐复杂，简单过程则较为简洁直观.过程等效则是使用简单的作用过程代替复杂作用过程，简化物理问题，提高学生课堂学习效果.

例如，在光滑的水平面上，静止放置两辆小车A和B，A小车上固定一强磁铁，总质量是5 kg ，在B小车上固定一闭合的螺旋管，总质量是10 kg .现在给B小车施加一个水平向左的100 N·s 的瞬间冲量.如果两小车在运动中没有直接碰撞，则相互作用时产生的热能是多少？

解析 在此物理问题解答中，通过类比分析，将此运动过程等效成子弹击木块未击穿的物理运动，作为问题思考的切入点.感应电流产生的磁场对导体和磁场间的相对运动具有阻碍作用，A、B两个小车之间存在排斥力，将两小车作为研究对象，其受的合外力是零，动量守恒，当两小车速度相等的情况下，两小车的相互作用结束.结合B小车运动到两小车相对静止，整个过程中减少的机械能转化成电能，之后通过电阻发热，利用能量转化守恒求解.此物理问题主要考查学生对动量守恒定律、能的转化守恒定律、楞次定律等知识的掌握，加强学生分析能力和推理能力培养，借助等效思想，提高学生知识迁移能力.

4 借助等效思想，优化实验教学

高中物理教学中，实验是重要的教学内容，借助物理实验帮助学生理解和掌握物理知识.但是，在具体的实验中，有些实验现象不易观察，有些实验操作难度大，而有些实验出现较大实验误差等，对于这样的实验问题和现象，可以引入等效思想，借助易于观察的方式，优化物理实验教学，转换学生物理思维，突破课堂教学难度，加深知识学习和理解.例如，在伏安法测电阻的实验教学中，电流表的内外接产生系统误差，可以利用等效思想对误差进行分析.在外接的情况下，可以将实际电压表等效成理想电流表和阻值为电压表内阻的定值电阻并联.此种情况下，测量得到电阻值，即测量电阻值小于真实的电阻值.在内接情况下，将实际电流表等效成理想电流表和阻值为电流表内阻的定值电阻串联，即测量电阻值大于真实电阻值.

5 借助等效思想，提高解题效率

高中物理习题情境灵活多变，解题的思路不尽 相同，尤其对部分高中物理习题采用常规做法花费时间较长，解题效率较低，而且容易出错.如采用等效思想可迅速的分析出相关的物理规律，确保习题得以高效突破，因此高中物理教学中应注重结合具体具体讲解，等效思想的具体应用，使其在以后的解题中能够透过现象看本质，及时找到正确的解题思路.

例如，如图3所示，是用导线围城的扇形形状，其中扇形的半径为R，圆心角为90°，将其放在磁感应强度大小为B的匀强磁场中，和磁场方向垂直.其中线段 ab和cd的长均为R/2，将导线中通入大小为I，方向如图中箭头所示的电流，则导线abcd所受的安培力为（ ）.

A .方向沿纸面向上，大小为 2 BIR 2

B .方向沿纸面向上，大小为 （π- 2 ）BIR 2

C .方向沿纸面向下，大小为 2 BIR 2

D .方向沿纸面向下，大小为 （π- 2 ）BIR 2

解答该题显然不能将整个导线的长度计算在内，应将等效长度代入安培力的计算公式.图中导线虽然围成扇形，但其等效长度为ad连线的长度.由 ab和cd的长均为R/2，扇形的圆心角为90°，可知ad连线的长度为（R-R/2）/ cos 45°= 2 2 R，则F=BIL= 2 BIR 2 ，电流的方向等效为从a流向d，由左手定则可知，方向向上，综上选择 A 项.

6 借助等效思想，深化知识理解

高中物理教学中，为帮助学生更好的理解相关物理知识本质，使其在以后的学习中能够灵活应用，应注重借助等效思想讲解相关的例题，尤其通过在课堂上与学生互动，进一步澄清学生认识，纠正其理解上的误区，使其搞清楚物理公式相关参数表示的真正含义，使其在以后的解题中能够正确的带入相关参数.

例如，如图4所示，使用一根长为l的轻绳，一端系一可视为质点的小球，另一端固定在O点. O点正下方距离O点l/2的位置P点固定一颗小钉子.现将小球拉至A点，使细线和竖直方向夹角为θ（θ非常小），由静止释放小球，小球运动的最低点为B，点C是小球能够到达左方最高位置. A、B、C、O在同一竖直平面内，重力加速度为g，忽略空气阻力，则（ ）.

A .点C和点A等高

B .点C在点A上方

C .小球摆动的周期为2π l g

D .小球摆动的周期为π（ l g + l 2g ）

小球摆动的过程中只有重力做功，因此小球的机械能守恒，即，在C点的高度和A点的高度相同.小球做单摆运动，在未碰到钉子前其运动的时间为半个周期，t 1 = 1 2 T 1 ，此时的摆长为l，由单摆周期计算公式可知T 1 =2π l g ，則t 1 =π l g .细线碰到钉子后其仍做单摆运动，但是此时单摆的等效摆长为l/2，而不是l.其运动的半个周期的时间t 2 = 1 2 T 2 = 1 2 ×2π l 2g =π l 2g ，则其周期T=t 1 +t 2 =π l g +π l 2g =π（ l g + l 2g ），综上可知选择 AD .

7 借助等效思想，传授解题技巧

高中物理教学中为更好的提高学生的学习能力，应注重为学生讲解相关的解题技巧，其中等效思想可达到化难为易，迅速获取的良好效果，因此实践中应通过例题讲解使学生体会运用等效思想解题的便利，增强其运用等效思想解题的意识与能力，促进高中物理学习成绩更好的提升.

如图5甲为原副线圈匝数之比为3∶ 1的理想变压器，其中cd输入端交变电压u的图象如图5乙所示.其中三个灯泡的规格均为“ 9V，6W”， 各电表为理想电表，起初開关K是闭合的，则（ ）.

A .ab输入端电压瞬时值的表达式为27 2 sin 100πt（V）

B .ab输入端功率Pab=18 W

C .电流表的示数为2 A 时，灯泡均能正常发光

D .断开开关K，电压表的读数变小

将电压表右侧等效为一个电阻，开关K断开时，等效电阻增大，其和灯泡L 1 是串联关系，分压增大，因此，电压表的示数应变大.综上只有 C 项正确.

在高中物理教学中，借助等效思想，将复杂物理问题简单化，寻找更好的问题解决方式，加深学生对物理过程和物理规律的理解，锻炼学生知识应用能力.借助等效思想，锻炼学生想象能力，理解物理事物本质，结合联想和类比，培养学生创新思维.在具体的课堂中，通过应用等效思想，帮助学生更好的理解物理规律，培养学生良好的物理思维能力，提高物理教学质量和水平.

参考文献：

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[责任编辑：李 璟]