等效思维在初中物理解题教学中的应用探析

何斌杰

(福建省浦城县盘亭中学,福建 南平 353414)

初中物理传统的解题教学模式题海战术,帮助学生建构各种物理模型,使他们能够模板化套用解决不同类型的物理问题.然而,这种教学模式可能导致学生在面对条件复杂、过程繁琐的物理问题时,不知如何着手思考问题.出现这一情况的根本原因在于教师未能有效培养学生的解题思维能力,他们未能掌握分析和处理问题的思维方法.对此,笔者将结合对等效思维法教学运用的认识,简述如何在初中物理解题教学中运用该思维,以供参考.

1 等效思维的基本概念及运用意义

1.1 等效思维的基本概念

等效思维法主要指在相同的条件要素和特性情况下,通过等效替换、等效类比、等效迁移等思维方法,将复杂、繁琐、隐晦的问题转化为直观、简单、等效且熟悉的问题.这旨在简化学生对物理问题的思考流程,使其能够准确把握问题的处理要点,发现问题的客观规律,从而提高解决问题的效率.初中物理解题教学中运用等效思维法不仅是课程教学改革的趋势,更是教师培养学生学科思维能力、锻炼学生物理问题处理分析能力的最佳手段.因此,广大初中物理教学工作者应该对其给予足够的重视.

1.2 等效思维教学运用的积极意义

等效思维作为初中物理解题教学中广泛应用的思维方法,其在解题教学中的优点归纳如下:第一,等效思维方法有助于简化学生对物理问题的分析过程,突出问题处理的核心要点,精炼物理图形,从而为学生处理物理问题提供便利,使其能够深刻理解和分析各种类型的物理问题[1].第二,等效思维方法能够调动学生在解题学习中的主观能动性.学生在简化分析物理问题中扮演主导角色,而教师则负责引导学生运用等效思维方法,促使学生主动提升个人的物理解题思维能力,积累等效思维方法在解题中的经验,从而更好地提高物理解题水平.

2 等效思维在初中物理解题教学中的运用策略

2.1 等效思维简化条件,助力学生推理思考

在初中电路和力学等板块问题,有助于学生进行问题的迁移推理,更有效地把握解题的核心要点.初中教师可通过引导学生运用等效思维法,简化题目中的问题要素,促使学生尝试类比推理不同物体在题目中的等效性,拓展个体思维,以实现简化处理各种类型物理问题的目标[2].

以如下图1串联电路所示,电阻R1为大小恒定的定值电阻,R2为变值电阻,倘若电路中的电源电动势为E,内阻为r,试求该电路中的变值电阻R2为多大时滴耗功率最大?

图1 电路图

由于本题直接分析题目中的条件要素进行功率计算难度较大,教师首先要使学生明白电源输出功率处于一个变化并不单调的情况条件.然后教师再引导学生使用等效思维方法进行问题的二次分析,让学生知道恒定电阻R1与电源内阻r可进行等效串联分析,故可将电源的等效电阻转化为R1+r,电阻R1与电源组成一个新的电源,可得如下简化电路图2.

图2 简化电路图

最后教师再让学生根据条件等效替换后所得出的全新电路图,分析该条件下的变值电阻R2的大小及最大输出功率.这时,学生只需要根据等效替换条件以及所做出的简化电路图,可知道当R2电阻大小与R1+r相等时,变值电阻R2的输出功率为最大.

2.2 等效思维转换图形,辅助学生图形理解

物理图形是解决力学和电学问题的重要工具.然而,在一些电路图中,电学元件较多,或者在一些力学图中,一个物体受到多个外力作用,导致这类图形的分析处理难度大,学生普遍对此感到畏惧[3].等效思维在处理这类图形解题分析时发挥重要作用,通过串联、并联电路图的等效替换,以及辅助线、受力图的绘制等策略,能够简化物理图形问题.

以“如图3所示F1、F2、F3为作用于同一个点的力,且彼此之间互成120°,现已知F1、F2、F3大小分别为20 N、30 N、40 N,试求三者合力的大小及方向?”问题中的等效图转换运用为例.

图3 受力分析图

再以“探究电路”单元中的问题教学为例,教师可引进问题“已知图6电源电动势为6 V,电阻R1为9 Ω,整个电路消耗总功率P为10 W,而且电路中其他电阻大小均为R,若将电路R1电阻换为阻值大小为3 Ω的电阻R2,那么此时电路消耗的总功率T2为多少呢?”

图6 实际电路图

教师引导学生利用等效思维进行图形替换分析处理,可将图中除R1外的七个大小均为R的电阻看成一个整体R0,这时七个电阻所组成的大电阻与电阻R1为并联关系,所以可得如下转换图形如图7.

图7 等效电路图

2.3 等效思维剖析过程,简化分析物理过程

在力学问题和运动问题的分析处理中,通常涉及物体在不同阶段的过程状态以及不同物理因素之间的连锁作用.其中,一些因素是等效的,可以在过程和状态分析中运用等效思维,这为学生处理问题时提供了有效的切入点[4].因此,教师应重视在物理问题过程分析中运用等效思维法,有意识地引导学生挖掘问题中存在等效性的物理量,并让学生将挖掘到的等效物理量进行替换,从而简化对物理过程变化中各个状态的分析.这样的引导有助于学生找到处理物理问题的有效方法,充分发挥等效思维在物理过程分析中的应用效果[5].

例如,假设甲乙分别在不同的城市,且彼此之间的距离为d,两个人分别以U、V的速度相向而行,倘若这时丙以M的速度行驶在甲、乙之间,同时当丙追上甲时,立即调转方向向乙行驶;而遇到乙时立即调转方向向甲行驶,如此往复行驶,请问当甲乙相遇时丙行驶的路程d1为多少?

2.4 等效思维推论定律,夯实解题理论基础

由于一些初中物理知识之间存在较强的关联性,一些知识要点可以直接串联构建知识网络体系.因此,在解题教学中,教师可以运用等效思维法来加强对物理知识定律的理解.在定理推论演绎的解题教学中,教师应引导学生利用等效思维进行相关解题技巧方法的推论演绎.这有助于学生深入理解不同定理定律在题目要素变化下所具有的不同内涵,尝试等效转换运用各种物理定律,从而避免盲目记忆和套用物理公式和定律.

以“力与运动”板块的定律推论教学为例,教师在解决相关问题时常使用“物体在力的作用下保持匀速直线运动或者保持静止状态”的知识点.然而,部分学生对于“匀速直线”与“静止”这两种运动状态的理解存在不足,导致在解题时出现错误.这些学生往往认为在这两种运动过程中物体处于不受力状态,进而出现错误.在这种情况下,教师可以运用等效思维方法引导学生对该知识点进行推理,使学生明白“受力平衡”与“不受外力”所产生的效果是相同的.接着,教师结合“物体在平衡力作用下的运动状态”进行解题教学,促使学生运用等效思维方法,将“不受外力”转化为较为熟悉的“受力平衡”,尝试定理规律的等效转换运用,进行加速度的推理学习.通过逐步掌握“力与运动”板块的物理知识定律等效替换运用的方法,学生能够为后续深入解题运用打下坚实基础.

3 结束语

初中物理解题教学落实运用等效思维法,传授学生等效替换、等效转换、等效类比等方法技巧,不仅辅助学生简化问题要素,优化问题流程,高效图形替换,提高其处理解决各种物理问题的效率,还能切实发展学生的思维能力,满足新课程对学生学科素养的发展诉求.