中学物理中的等效思想

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  “等效”,顾名思义,就是可以以此代替彼,也可以以彼代替此,而从效果上来说是一样的;即如果A和B在某个方面产生的效果相同,我们就说A和B在这个方面是等效的,这个时候既可以用A来替换B,也可以用B来替换A。等效方法是不论性质的,这种思想方法的准则只有一条,那就是保持效果相同。中学物理中关于等效的例子有很多。
  一、理想化的等效思想,抓住问题的本质
  物理学所分析、研究的实际问题往往很复杂,有众多的因素,为了便于着手分析与研究,物理学往往采用一种“简化”的方法,对实际问题进行科学抽象化处理,保留主要因素,略去次要因素,得出一种能反映原物本质特性的理想物体(过程)或假想结构,此种理想化的物体(过程)或假想结构就称之为物理模型。因此,物理模型是人们通过科学思维对物理世界中的原物的抽象描述;是按照物理学研究的特定目的,用物质形式或思维形式对原型客体本质关系的再现。人们通过对物理模型的认识与研究,去获得关于原型客体的知识及其在自然界中的运动变化规律,是一种物理科学研究的常用方法。物理模型的建立是一种等效思想在研究对象上的体现,具体实例有:
  物理中“质点”是一个只有一定质量而没有一定形状和大小的概念,是一个重要的概念。实际中不存在没有大小和形状的东西,但是我们研究解决实际问题的时候,有时物体的形状和大小跟我们研究的问题没有关系,或者对我们研究的问题影响很小,这个时候就可以把物体看作是一个“有质量的点”。教学中,首先可给学生设置一个简单的问题:长300米的火车经过900米的铁路桥所需时间2分钟,求平均速度。引导分析时,要突出火车的形状、长度在研究问题中的影响。然后类比设疑:(1)长300m的火车从江山开往上海,两地400Km,用时9h,求平均速度。此处火车形状对研究问题有无影响?(2)在研究地球绕太阳作公转时,地球比火车大得多,地球的形状和大小对研究的运动有无影响?又怎样处理呢?理想化的方法是物理中的一种常用的处理方法,我们在平时的教学中应加强探讨,利用各种手段使学生理解忽略次要因素、抓住主要矛盾,可以用理想化的模型等效替换原有物体的思想,结合生活建立理想化的模型。
  二、“殊途同归”,不同形式之间的等效
  在力学里面经常涉及到合力和分力的等效替换。有时候我们研究力学问题分析出物体受力较多的时候,为了简化问题,常常会利用平行四边形定则将其中几个力进行合成,从而得到它们的合力,用这一个力去替换这几个力,从而达到减少力的个数的目的,使问题得到简化。反之也可以用几个分力来等效替换其合力,几个分力的性质可以是不一样的,但它们的合力和这几个分力所产生的作用效果是等同的,不会影响物体原有的运动过程。类似的还有很多,如矢量的和与分量之间有着等效替代的关系。
  三、用“简单”等效替换“复杂”,简化问题
  物理研究的另外一条最根本的原则就是由简单到复杂,化复杂为简单。在电路中,有两个电阻的连接方式是串联的,那么总电阻就是原来阻值之和;如果原来两个电阻的连接方式是并联的,那么总电阻就是原来阻值倒数之和的倒数。在这里所谓的总电阻与原来串连或者并联后的电阻就是等效的。有了等效的思想,可以把一个有漏电的电容器等效为一个理想的电容器和一个电阻的并联,把一个有电阻的线圈等效为一个理想的线圈和一个电阻的串联。我们可以把一个实际的复杂运动等效为几个简单运动的组成,把一个实际电源等效为一个理想电源串连一个内阻。甚至在处理不同的物理问题时,还可以有具体方法上的等效,比如力学问题解决方法与几何光学方法的等效、电磁学量与力学量的等效等。
  物体的运动有相互作用时往往比较复杂,当一个物理事物与另一个(或几个)物理事物在相同情景下产生的效果相同时,我们往往将复杂的物理事物转化为等效、简单、易于研究的物理事物,这种方法称为“等效替换”。“等效”思想是研究和解决物理学问题的一种很重要的思想,利用等效可以简化物理问题,使我们更容易看清问题的实质,理清问题的线条,抓住问题的关键,从而更快更有效地解决问题。
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