鄧曉香 范成法

摘? ?要：科學(xué)思維培養(yǎng)是一個(gè)過(guò)程，實(shí)例分析需要進(jìn)行繁簡(jiǎn)的比較，領(lǐng)悟科學(xué)思維的重要性;等效替代思維方法需要專(zhuān)題的培養(yǎng)，提升物理學(xué)科的核心素養(yǎng);綜合試題演練，將等效替代方法提高到一個(gè)更高的思維高度，巧妙解決物理難題。

關(guān)鍵詞：科學(xué)思維;等效替代;核心素養(yǎng)

高三物理復(fù)習(xí)的過(guò)程，就是準(zhǔn)確理解物理概念，嫻熟地掌握并應(yīng)用物理定理和物理定律，建立起物理知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，通過(guò)知識(shí)間的融合建立起物理模型，更要培養(yǎng)物理學(xué)科嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維方法。物理科學(xué)思維能力是高中物理核心能力之一，高中物理的思維方法有很多，其中，等效替代思維也是一種常用而典型能化繁為簡(jiǎn)的思維方法。高中物理中的等效代替有四種基本形式：模型等效、過(guò)程等效、作用等效及本質(zhì)等效[ 1 ]，但不論哪一種形式，在物理性質(zhì)上效果相同，可以相互替代，這樣就可以將一個(gè)繁雜的物理過(guò)程簡(jiǎn)單化，達(dá)到化難為易的目的。本文僅對(duì)在高三物理復(fù)習(xí)的教學(xué)過(guò)程運(yùn)用等效替代思維方法談點(diǎn)教學(xué)心得。科學(xué)思維方法培養(yǎng)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，為領(lǐng)悟科學(xué)思維的重要性，實(shí)例分析需要繁簡(jiǎn)方法的比較;為更好地掌握、鞏固、靈活應(yīng)用等效替代的方法，需專(zhuān)題復(fù)習(xí)進(jìn)行等效替代思維方法的培養(yǎng)，提升物理學(xué)科的核心素養(yǎng);利用綜合試題分析演練時(shí)，將等效替代方法提高到一個(gè)更高的思維高度，巧妙解決物理難題。

1? 繁簡(jiǎn)比較? 科學(xué)思維領(lǐng)悟很重要

為了能讓學(xué)生更好地理解、領(lǐng)悟等效替代方法在高中物理解題中的重要作用，以及形成良好的等效替代的思維方法，除了要講透思維方法外，還要通過(guò)實(shí)例進(jìn)行繁雜的常規(guī)解題方法和簡(jiǎn)潔的等效替代方法的解題比較，讓學(xué)生親歷、領(lǐng)悟養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣是解決高中物理問(wèn)題的關(guān)鍵。

在變壓器定量計(jì)算的問(wèn)題分析中，常見(jiàn)典型模型化問(wèn)題如圖1：電源輸入電壓U0不變，變壓器的輸入端連接一個(gè)定值電阻R1，則當(dāng)滑動(dòng)變阻器R的阻值（負(fù)載發(fā)生變化）為多少時(shí)，變壓器的輸出功率最大。因在變壓器中的輸入端與輸出端的電流、電壓和電功率相互制約，如果學(xué)生沒(méi)有掌握分析問(wèn)題的思維方法，此類(lèi)問(wèn)題將無(wú)從下手，為了更好地讓學(xué)生領(lǐng)悟等效替代的思維方法，先進(jìn)行常規(guī)數(shù)學(xué)方法計(jì)算。

運(yùn)用數(shù)學(xué)方法、通過(guò)從電源往右看的電阻等效法、從負(fù)載往左看的電源等效法的分析，讓學(xué)生較深入理解從等同效果出發(fā)，將其復(fù)雜過(guò)程轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的、易于研究的方法，叫等效替代法，并且，明確等效替代前后間的物理量等效關(guān)系，也可作為二次結(jié)論加以應(yīng)用。

2? 專(zhuān)題復(fù)習(xí)? 核心素養(yǎng)提高是關(guān)鍵

高中物理的核心素養(yǎng)分為物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四部分[ 2 ]，其中，科學(xué)思維是對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)方式，是對(duì)客觀認(rèn)識(shí)構(gòu)建模型的抽象概括，進(jìn)行分析綜合、推理論證的過(guò)程，并且提出創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力與品質(zhì)。

復(fù)合場(chǎng)是物理高考的一個(gè)熱點(diǎn)，也是一個(gè)能很好地考查綜合分析能力的難點(diǎn)，通過(guò)多個(gè)由簡(jiǎn)單到較綜合的復(fù)合場(chǎng)實(shí)例分析，能很好地培養(yǎng)等效替代思維方法，提高核心素養(yǎng)。

如圖4，傾角為α的光滑斜面放置在水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng)E中，一質(zhì)量為m的帶電小球，以速度沿斜面勻速下滑。小球在斜面上運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后撤去斜面，求再經(jīng)過(guò)t時(shí)間，帶電小球通過(guò)的位移？

受力分析如圖4，重力與電場(chǎng)力都是恒力，其合力是恒力，因小球做勻速運(yùn)動(dòng)可知小球的帶電性質(zhì)及帶電量;當(dāng)運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后，撤去斜面，小球受重力和電場(chǎng)力的作用，且是恒力，等效為小球只受一個(gè)恒力的作用，可以稱(chēng)為等效重力，因此，小球做類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)，根據(jù)類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)中合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)的等效性和獨(dú)立性，可求其位移。

如圖5，一長(zhǎng)度為L(zhǎng)的細(xì)繩上端固定，下端系一帶電小球，將其置于水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng)中，場(chǎng)強(qiáng)大小為E。已知當(dāng)細(xì)線(xiàn)偏離豎直位置的夾角為α?xí)r，小球處于平衡狀態(tài)，如果使細(xì)線(xiàn)的偏轉(zhuǎn)角由α增大到β，然后將小球由靜止開(kāi)始釋放，則：（1 ）β應(yīng)為多大才能使在細(xì)線(xiàn)到達(dá)豎直位置時(shí)小球的速度恰好為零？（2 ）若α<50，那么（1）問(wèn)中帶電小球由靜止釋放至到達(dá)豎直位置需要多少時(shí)間？

分析引導(dǎo)，受力分析，當(dāng)夾角為α?xí)r小球處于平衡狀態(tài)，即為機(jī)械振動(dòng)中的平衡位置，重力與電場(chǎng)力合力是一個(gè)恒力，等效為重力，因此，圖中的N與M是機(jī)械振動(dòng)的等效兩個(gè)端點(diǎn)，故當(dāng)β=2α?xí)r，小球達(dá)到N點(diǎn)時(shí)速度恰好為零。當(dāng)α<50時(shí)，滿(mǎn)足簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的條件，其時(shí)間即為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的半個(gè)周期，其等效重力加速度為g'=，可得t==2π=2π。

在如圖6，光滑絕緣的圓形軌道豎直放置在場(chǎng)強(qiáng)大小為E，方向水平向右的電場(chǎng)中，圓的半徑為R，在其最低點(diǎn)給A處放置一個(gè)質(zhì)量為m的電荷量為q的帶正電小球，現(xiàn)給m一個(gè)水平方向的初速度，使小球恰好能做完整的圓周運(yùn)動(dòng)，求初速度的最小值及小球受到的最大支持力。

同樣引導(dǎo)分析可知，其重力與電場(chǎng)力是一個(gè)恒力，為等效為重力，如圖中的B點(diǎn)為等效最低點(diǎn)，C點(diǎn)為等效最高點(diǎn)，要恰好完成完整的圓周運(yùn)動(dòng)，等效最高點(diǎn)要有最小速度vmin=。

在復(fù)合場(chǎng)中，用等效替代的思維將復(fù)合場(chǎng)轉(zhuǎn)為等效重力場(chǎng)，將恒定合力轉(zhuǎn)為為等效重力及等效重力加速度，可以將復(fù)雜的復(fù)合場(chǎng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的（等效）重力場(chǎng)問(wèn)題。通過(guò)專(zhuān)題實(shí)例分析滲透等效替代的思維，提高了學(xué)生綜合分析解決物理問(wèn)題的能力，專(zhuān)題復(fù)習(xí)的過(guò)程是一個(gè)能很好地提升學(xué)生核心能力的過(guò)程。

3? 思維提升 巧妙解答難題有突破

通過(guò)系統(tǒng)化的復(fù)習(xí)，建立起了等效替代的思維方法，但要熟練地掌握并應(yīng)用等效替代的方法解決物理問(wèn)題，甚至是物理難題，還要有綜合性的物理試題演練，將物理思維提升到一個(gè)更高的層次，就能巧妙地解答物理難題。

如圖7，xoy平面有磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向垂直紙面向外;同時(shí)，在xoy平面內(nèi)有一個(gè)沿 y軸正方向的勻強(qiáng)電場(chǎng)，場(chǎng)強(qiáng)大小為E;點(diǎn)P（L，0）處有一粒子源，可向各個(gè)方向發(fā)射速率不同，電荷量為q、質(zhì)量為m的帶負(fù)電粒子;現(xiàn)假如粒子是以速率v沿y軸正向發(fā)射，求在粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其最小速率vmin。（不考慮粒子的重力）

這一題是某次質(zhì)檢的綜合題，此處略去第（1）、（2）問(wèn)中的常規(guī)思維題，分析一下第（3）問(wèn)中的思維提升問(wèn)題，帶電粒子在正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，因所受洛倫茲力與電場(chǎng)力不平衡，。電場(chǎng)力恒定，而倫茲力大小方向都在發(fā)生變化，則合力的大小和方向都在發(fā)生變化，粒子在其中做的是復(fù)雜的曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

思維提升引導(dǎo)：利用合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)的等效替代性，如果將帶電粒子的初速度v進(jìn)行等效的分解，即將帶電粒子的運(yùn)動(dòng)等效為沿某一方向的勻速運(yùn)動(dòng)和沿某一時(shí)針?lè)较虻膭蛩賵A周運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)，則兩分速度的方向相反時(shí)，合速度達(dá)到最小。即將v分解為水平向右的分速度v1，且滿(mǎn)足qv1B=qE，則帶電粒子就在水平向右方向做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，速度大小為v1=而另一個(gè)分速度v2=如圖7，即另一個(gè)分運(yùn)動(dòng)是以v2為線(xiàn)速度的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)勻速圓周運(yùn)動(dòng)的線(xiàn)速度v2向左時(shí)，其合速度最小即vmin=v2-v1。

巧妙在速度分解為水平向右的分速度v1。使得電場(chǎng)力與洛侖茲力的一個(gè)分力平衡， 洛侖茲力的另一個(gè)分力提供勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。將這一運(yùn)動(dòng)等效為水平方向的勻速運(yùn)動(dòng)與v2的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，解決復(fù)雜的曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題等效為兩個(gè)常見(jiàn)分運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單問(wèn)題。

總之，通過(guò)實(shí)例引導(dǎo)分析等效替代思維方法的復(fù)習(xí)教學(xué)，讓學(xué)生清晰認(rèn)識(shí)到，利用等效替代的思想可將復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題變換為簡(jiǎn)單的模型，抓住問(wèn)題的本質(zhì)，以少代多，以簡(jiǎn)代繁，以定代變，實(shí)現(xiàn)以易取難，達(dá)到更好地解決物理問(wèn)題的目的。進(jìn)一步讓學(xué)生理解和領(lǐng)悟這種思想，并將其推廣應(yīng)用到高三物理復(fù)習(xí)的其它思維方法中，提高物理學(xué)科的核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡益浩.用等效替代法培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究， 2008（4）：25-26.

[2]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[S].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2017.