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1、高中物理中的等效變換
天臺(tái)平橋二中 龐杰
摘 要：本文簡(jiǎn)述了等效變換的思維方法,概括了物理中等效變換常見的幾種類型,并通過一些具體事例說明了等效變換在問題的分析研究中的應(yīng)用與意義
關(guān)鍵詞：等效變換，高中物理
等效變換是物理學(xué)中常用的一種思維方法，是指從事物間的等同效果出發(fā)來研究物理現(xiàn)象和物理過程的一種思維方式，也是分析和解決物理問題的有效思維方式. 在物理教學(xué)中的應(yīng)用等效變換，，不僅可以使非理想模型變?yōu)槔硐肽Ｐ?，使?fù)雜問題變成簡(jiǎn)單問題，而且可以使感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，使一般理性認(rèn)識(shí)升華到更深層次，從而便于研究和處理問題。等效思維是物理學(xué)研究中一種有效的思維，運(yùn)用它能夠萌發(fā)新的
2、物理概念和產(chǎn)生物理假設(shè)，啟迪人們創(chuàng)造新的物理理論和作出新的預(yù)見。
一、等效變換在高中物理中教學(xué)中的作用
在高中物理教學(xué)中，等效變換在指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和運(yùn)用物理知識(shí)上有著重要的作用。
（一）深化認(rèn)識(shí) 通過等效變換，能幫助學(xué)生透過表面現(xiàn)象看到問題的本質(zhì)，對(duì)所研究的物理實(shí)質(zhì)看得更深、更透。如高二物理中條形磁鐵和環(huán)形電流的作用，如把環(huán)行電流跟條形磁鐵進(jìn)行等效變換，就能更容易處理它們間的相互作用。
（二）活化思維 等效變換可以喚起靈感、構(gòu)筑出一條別致的思路，從而巧妙地化難為易，對(duì)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理問題的敏感性、思考物理問題的靈活性和獨(dú)特性具有積極作用。
（三）指導(dǎo)實(shí)驗(yàn) 等效變換對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的指
3、導(dǎo)作用，體現(xiàn)在用以解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、作等效測(cè)量和分析實(shí)驗(yàn)誤差方面。
二、高中物理中常見的等效變換
（一）組合等效法
用一個(gè)物體代替組合起來的其他幾個(gè)物體、或把一個(gè)物體分割成許多物體而保持效果不變的方法。例如，在電路問題中幾個(gè)電阻串聯(lián)或并聯(lián)后的總電阻成為等效電阻；幾根彈簧串聯(lián)或并聯(lián)組合起來的勁度系數(shù)就是等效勁度系數(shù)。
（二）運(yùn)動(dòng)等效法
用一種或兩種運(yùn)動(dòng) 代替另一種運(yùn)動(dòng)、保持效果不變的方法。如平拋運(yùn)動(dòng)，可等效為水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向的自由落體運(yùn)動(dòng)的合成。
o
B
A
例1 如圖所示，一半徑為R，內(nèi)表面光滑的球面，球心為O，最低點(diǎn)為A，現(xiàn)有兩個(gè)半徑可以忽略的小球，一
4、個(gè)置于球心O，另一個(gè)置于距A很近的B點(diǎn)，兩小球同時(shí)釋放，哪一個(gè)球先到達(dá)A點(diǎn)？
有些同學(xué)一看到這個(gè)題目，憑直覺輕率地判斷B靠A
很近，置于B點(diǎn)的小球一定先到達(dá)A點(diǎn)。這種猜測(cè)缺乏判斷
的依據(jù)，是不可靠的。其實(shí)只要對(duì)置于B點(diǎn)的小球進(jìn)行受力
分析，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它和長(zhǎng)為R的單擺受力完全相同，并且由于
B點(diǎn)很靠近A點(diǎn)，相當(dāng)于單擺的擺角很小，因而可用一個(gè)長(zhǎng)
為R的單擺的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)來代替置于B點(diǎn)小球運(yùn)動(dòng)它到達(dá)A點(diǎn)的時(shí)間是單擺周期的1/4，從而比較到達(dá)A點(diǎn)的先后。
(三) 過程等效法
當(dāng)只考慮物體狀態(tài)變化的最終效果時(shí),可以用另一個(gè)過程代替原來的過程而保持效果不變的方法。
例2 從高40米的光滑墻頂
5、以初速度V。=10m/s把一個(gè)彈性小球沿水平方向?qū)χ嗑郘=4m的另一建筑物A的光滑豎直墻壁拋去,則小球從拋出起直到到達(dá)地面，與墻壁相碰幾次？
A
V0
h
顯然，小球第一次運(yùn)動(dòng)為平拋運(yùn)動(dòng)，其他運(yùn)動(dòng)為斜拋運(yùn)動(dòng)，由于球與墻壁碰撞過程有反射角等于入射角，可以把運(yùn)動(dòng)軌跡展開為平拋運(yùn)動(dòng)的拋物線，設(shè)水平位移為S，不難找到式子S=V。t
以及h=1/2gt2
就可以求得S=28.28m,
從而求得n=7
(四)整體等效法
對(duì)某個(gè)物體或某種系統(tǒng)作整體性的等效代換的方法。等效量的確定往往是從整個(gè)物體或整個(gè)系統(tǒng)對(duì)外部的作用效果分析得出的。如：在電源電動(dòng)勢(shì)為E、內(nèi)電阻為r，外電路中串聯(lián)兩
6、個(gè)電阻R1和R2,在研究R2上的電壓和電流以及消耗的功率時(shí),可把電動(dòng)勢(shì)為E、內(nèi)電阻為r的電源等效為電動(dòng)勢(shì)為E、內(nèi)電阻為r’=r+R1的電源,這樣處理問題就簡(jiǎn)單多了。
(五)疊加等效法
一個(gè)量對(duì)物體的作用能代替其他物體幾個(gè)量對(duì)物體的共同作用\且需要平行四邊形法則確定等效量的方法.如常見的力、位移、速度、加速度、電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度等的分解與合成法則等。
三 培養(yǎng)學(xué)生等效變換思維的策略
(一)在物理教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)有目的、有意識(shí)地向?qū)W生介紹等效變換思維的方法.教材不只是知識(shí)的載體,也包含著對(duì)學(xué)生進(jìn)行方法、技巧、思維和能力培養(yǎng)方面的內(nèi)容.在高中物理教學(xué)內(nèi)容中,有豐富的運(yùn)用等效變換處理問題的事例.
7、如:當(dāng)物體同時(shí)受到幾個(gè)力共同作用時(shí),可以求出其合力.這個(gè)力產(chǎn)生的效果跟原來幾個(gè)力共同作用的效果相同..在研究變速直線運(yùn)動(dòng)時(shí),引入平均速度概念的實(shí)質(zhì)就是把復(fù)雜的變速直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為理想、等效、簡(jiǎn)單的以平均速度V為速度的勻速直線運(yùn)動(dòng).在交流電的教學(xué)中,由于交流電的電流強(qiáng)度時(shí)刻都在變化,這給應(yīng)用上的計(jì)算帶來了許多不便.如果運(yùn)用等效變換就可以化繁為簡(jiǎn),化難為易.因此在物理學(xué)中定義了交流電各參數(shù)的有效值。
(二)運(yùn)用等效變換思維來解答物理問題或物理習(xí)題.某些物理問題或物理習(xí)題中常暗含一些等效條件,若用常規(guī)方法往往無從下手或計(jì)算繁雜;如果能正確運(yùn)用物理等效變換的方法去探求等效條件,可使問題獲得簡(jiǎn)便解決。
8、
如:在物體做加速運(yùn)動(dòng)時(shí),可引入一個(gè)等效重力場(chǎng),把運(yùn)動(dòng)的問題轉(zhuǎn)化為平衡問題。當(dāng)物體在一個(gè)同時(shí)有重力、電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力的復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)也可以引入一個(gè)等效力場(chǎng),把復(fù)合場(chǎng)中的問題簡(jiǎn)化為類似于重力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問題。
例3 一個(gè)舉重運(yùn)動(dòng)員在地面上最多能舉起質(zhì)量m1=60千克的物體,在一個(gè)勻加速下降的電梯內(nèi)卻能最多舉起質(zhì)量m2=80千克的物體,這個(gè)電梯的加速度為多少?若電梯以同樣大小的加速度勻加速上升,那么這個(gè)運(yùn)動(dòng)員在電梯內(nèi)最多能舉起質(zhì)量為多少千克的物體?
分析與解答：電梯加速下降或加速上升，其等效重力場(chǎng)強(qiáng)度分別為g1=g-a, g2=g+a.
舉重運(yùn)動(dòng)員舉起最大質(zhì)量物體時(shí)，它們的重力都相同。于是有F
9、=m1g=m2 (g-a)= m3(g+a) ,
得電梯加速度大小為a=2.5m/ s2 ,運(yùn)動(dòng)員在向上的電梯中能舉起物體的質(zhì)量為m3=m1g/(g+a)=10x60/(10+2.5)=48kg
(三)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用等效思維解決問題。在物理實(shí)驗(yàn)中常常會(huì)遇到一些
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或事實(shí)不易觀察或觀察不明顯的情況，可依據(jù)等效轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)觀察、易觀察或觀察明顯的目的。如布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)把不易觀察的分子熱運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為觀察花粉顆粒的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)思想源于等效轉(zhuǎn)換思維，教學(xué)過程中一定要對(duì)實(shí)驗(yàn)的思想和原理展開思考，不要把現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)裝置和控制方法簡(jiǎn)單地教給學(xué)生。
（四）借助等效變換培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。物
10、理教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，旨在增強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理問題的敏感性、思考問題的靈活性和獨(dú)特性，從而提高學(xué)生解決物理問題和探索物理知識(shí)的能力。在中學(xué)物理中，合力與分力、合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)、平均速度、重心、熱功當(dāng)量、交流電的平均值和有效值；幾何光學(xué)中的三條特殊光線、虛化虛物等，都是根據(jù)等效思想引入的。如果教師在教學(xué)時(shí)能引導(dǎo)學(xué)生在形成物理概念、解答物理習(xí)題過程中運(yùn)用等效法，使學(xué)生明確在分析和解答物理問題時(shí)，一般需要將生活語(yǔ)言精煉成為物理語(yǔ)言，需要將復(fù)雜的問題通過等效法，提煉，簡(jiǎn)化，找出問題的本質(zhì)，學(xué)生就會(huì)在學(xué)習(xí)中逐漸嘗試用等效法開創(chuàng)性地解決問題。
在教學(xué)中運(yùn)用等效變換，可引導(dǎo)學(xué)生的思路從“山窮水盡疑無路”走向“柳暗花明又一村”，使分析和解答問題的思路變得極為簡(jiǎn)捷。
參考文獻(xiàn)：
［1］林德宏.科學(xué)思想史[M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,1985.
［2］陸果.基礎(chǔ)物理學(xué)教程[M].北京:高等教育出版社,1999.
［3］劉海生.蘇聯(lián)高考與競(jìng)賽物理試題精選[M].上海:上海科學(xué)普及出版社,1992.
［4］鄭志航,惠新標(biāo),葉楠數(shù)字電視原理與應(yīng)用[M]北京:中國(guó)廣播電視出版社,2001
高中物理中的等效變換 浙教版（通用）
