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运用等效思维方法促进初中物理课堂教学

2020-06-23张春勇

理科考试研究·初中 2020年6期
关键词:习题概念应用

摘 要:等效思维是一种发散性思维,它也是一种解题方法.在初中物理课堂教学的过程中,适时地、恰当地运用等效思维方法,可以将抽象的概念具体化,可以将复杂的问题简单化,当然,还可以使知识的应用变得现实、简捷和易于操作.本文将结合自身的教学实践,就等效思维方法在初中物理课堂教学中的具体应用,谈一谈个人的心得体会.

关键词:等效;概念;习题;应用

作者简介:张春勇(1975-),男,江苏盐城人,本科,中学一级教师,研究方向:初中物理课堂教学.

物理学是一门实验性非常强的学科,现象的揭示、原理的发现和科技的进步都依赖于人们敏锐的观察、独特的思维和先进的方法.控制变量法、类比法、转换法、模型法、归纳法、比较法和等效法在物理学科发展的过程中,无不发挥着重要的作用,而等效思维方法,则是众多物理研究方法中的一颗璀璨的明珠,发挥着使人意想不到的作用.

1 运用等效思维方法可以将抽象的概念具体化

在教学重力这一部分内容时,对于重力的定义,同学们容易理解,因为重力就是物体由于地球的吸引而使物体受到的力.但是对于概念——重心,部分学生就不容易理解了.教师如果不采用适当的方法,学生就可能不知所措,画出的力的示意图就可能是花样百出了.但若教师运用等效替代的思想,将作用于物体各部分的力都集中于一点,而这一点就是重心,这样处理的结果就是将抽象的概念做了简单化的处理,且这样处理并不影响对物体的受力分析,最主要的是便于学生对这一概念的理解.在力学中,我们在教学摩擦力、压力和浮力时,都运用到了这一方法,都将物体的重心、摩擦力和浮力的作用点画在了物体的中心.即使在研究机械功时,我们也将拉力的作用点做简单化的处理,将等效思维方法运用其中,将物体等效于一个点.运用这种方法,不但能化难为易,还能为学生后续学习受力分析的相关知识,打下良好的基础.

2 运用等效思维方法可以将复杂的问题简单化

在研究串联电路和并联电路的总电阻时,学生对于“串联电路的总电阻等于各串联导体的电阻之和”的结论容易理解.因为学生知道影响导体电阻大小的因素是导体的材料、横截面积、长度和温度,且在导体的材料、横截面积和温度不变的时候,导体的长度越长,导体的电阻就越大.因此,将几个电阻串联起来,就相当于增加了导体的长度,电阻变大,而这个串联后的电阻就是各串联导体的总电阻.但是,当教师介绍到并联电路的总电阻时,尽管也说,将电阻并联起来,只是相当于增加了导体的横截面积,但是学生还是一头雾水,怎么办呢?有经验的教师就会想到用等效思维的方法.

案例一 等效思维在串联电路总电阻教学中的应用

记得在一节优质课的评比过程中,教师甲是这样设计这一教学环节的:“我们知道‘将用电器逐个顺次连接起来的电路叫串联电路,我们还知道‘一段导体中的电流与这段导体的电压成正比、与这段导体的电阻成反比,那么,现在请同学们设计电路图,将两个电阻串联起来,并运用欧姆定律和身边的实验器材,测量出串联后的两个电阻的电阻值是多少?”同学们很快设计出了如图1的电路图,并分工合作测出了A、B两点之间的电阻值为15Ω.同学们的表现是教师意料之中的.接着,教师发给每个小组一个新的电阻,让同学们测出它的电阻,同时教师切换出如图2所示的电路图.待同学们完成实验后,教师询问测量的结果,同学们异口同声地说“15Ω”,并且同学们还发现两次的电压表和电流表的示数相同的现象.

经过小组实验以后,同学们发现在A、B两点之间串联入R1和R2与直接在A、B两点之间接入R效果是一样的.这时,教师适时地得出:“R就是R1和R2串联后的等效电阻,我们也称之为总电阻.又由于R1+R2=R,所以R1和R2串联后的总电阻就等于它们的阻值之和,即,在串联电路中,总电阻等于各串联电阻的阻值之和.”这样设计实验,既体现出了等效思想,又使同学们容易理解、便于掌握,且使实验结论的得出变得那么顺畅,那么自然.

案例二 等效思维在教学并联电路总电阻中的应用

等效思维方法除了在探究“串联电路的总电阻和各串联导体的关系”时可以运用以外,好多经验丰富的教师,也将它运用到探究“并联电路的总电阻和各支路电阻的关系”实验中.具体如下.

如图3所示,运用身边的器材,将两个阻值分别为10Ω和15Ω的电阻并联入一个电路中,并用电压表测出它们的电压,用电流表测出它们并联后的总电流,运用欧姆定律算出A、B两点之间的电阻;然后再用一个阻值为6Ω的电阻接入A、B之间,如图4所示,发现电流表和电压表的示数不变,即A、B两点之间的电阻不变.因此,阻值为6Ω的电阻就是R1和R2并联后的等效电阻,即R1和R2并联后的总电阻.

同学们在“探究串联电路的总电阻和各串联导体的电阻大小关系”时,已经领会到了等效思维的方法运用,因此,在探究“并联电阻的总电阻和各支路电阻关系”时就会轻车熟路,很容易得出实验的结论.除此以外,同学们在多次实验并比较数据大小关系时,还发现R总是小于R1和R2,即“在并联电路中干路电阻总是小于各支路的电阻”.

3 运用等效思维方法可以使知识变得易于理解和应用更为广泛

物理现象奇妙而又具有神秘感,其蕴含的深层次的原因需要我们物理教育工作者大胆猜想、勇于实践,并通过大量的事实和数据去揭开它神秘的面纱.有的物理现象具体又生动,让我们触手可及,教师便于教学,同学们也利于理解;但有的物理现象总是让你琢磨不透,它看不見也摸不着.这时就要看物理教师的教学手段和教学方法是否适当并精准到位了.

比如:在教学电磁联系这一章节时,我们知道磁场是一种客观存在的物质,不过它看不见、摸不着,那么怎样体现它的存在呢?教师自然会想到运用转换法并引入磁感线帮助学生去理解.但是电磁场也是看不见的,它也是客观存在的,它周围的磁场分布与磁体周围的磁场分布有类似之处吗?这时,物理教师就可以将一个条形磁铁和一个通电螺线管放在一起,在它们周围放置一些小磁针,观察它们N极的指向.通过仔细的观察,同学们很快发现,它们有惊人的相似之处,依据通电螺线管周围小磁针的N极指向画出它的磁感线和条形磁铁周围的几乎一样,即它们的磁场分布效果是一样的.教师这样设计实验,本身就是一种等效思想的体现,而且通过这样的对比实验,让同学们进一步体会到了等效思维方法在物理学习中的重要性.

案例三 运用等效思维方法解决复杂电学问题

《欧姆定律及其应用》在初中物理课堂教学中占有重要的地位,在电学板块,它就是中流砥柱,也是中考的高频考点,且难度系数较大,因而深受出题者的青睐.学好欧姆定律就得重温探究欧姆定律的过程,要会运用控制变量法和转换法,但是在应用环节,只知道这两种方法,还不能达到课程标准所提出的要求.因此,要熟练地掌握并应用欧姆定律,还得学会运用等效思维的方法,只有掌握了这种方法才能使你走得更远、更深.例如下面这道试题.

如图5所示,小明同学利用三个定值电阻(5Ω、10Ω、20Ω)、规格为“10Ω 1A”的滑动变阻器、电源、电压表、电流表、导线和开关等器材,进行了“探究电流与电阻关系”的实验.

(1)如图甲是小明连接的实验电路,检查发现电路中有一根导线连接错误,请在图中连接错误的那根导线上打“×”,并用笔画线代替导线将电路连接正确;

(2)改正后,闭合开关,移动滑动变阻器的滑片,发现电流表无示数,电压表示数接近于电源电压,若电路只有一处故障,其故障是;

(3)排除故障后,把5Ω的电阻接入電路,闭合开关,调节滑片到适当位置,电流表示数如图乙所示,其示数为A;

(4)滑片位置不动,把5Ω的电阻换成10Ω的电阻,闭合开关,应向(填“左”或“右”)调节滑片,使电压表的示数保持V不变,读取电流表的示数为0.2A;

(5)使三个电阻单独接入电路都能完成实验,选取电源电压最大值不能超过V;

(6)另一小组的小丽同学在只有一只电压表的情况下,连接了如图丙所示的电路,测出了额定电压为U额的小灯泡正常发光时的电阻.(已知滑动变阻器R2的最大阻值为R0,U额小于电源电压)

①闭合开关S、S1,断开S2,将R1的滑片滑到最右端,R2的滑片滑到最(填“上”或“下”)端,读出此时电压表的示数U,即为电源电压;

②闭合开关S、S2,断开S1,将R1的滑片滑到最右端,调节R2的滑片,使电压表的示数为,此时小灯泡正常发光;

③同时闭合三个开关,保持R2的滑片不动,然后调节R1的滑片,使电压表的示数为.保持R1的滑片不动,将R2的滑片滑到最上端,读出此时电压表的示数为U1;

④小灯泡正常发光时的电阻RL=(用字母表示).

答案:(1)如图6所示 (2)电阻断路 (3)0.4 (4)左;2 (5)3;反比 (6)①上 ②U-U额 ③U-U额 ④R0(U-U1)/U1

解析 (1)~(4)依据“探究欧姆定律的实验电路图”和“电流表要与被测用电器串联”以及“电流表和电压表的使用方法”和串联电路中串分压的原理可以轻松作答.

(5)解题的核心是理解“让3个定值电阻(5Ω、10Ω、20Ω)单独接入电路”和电流表的两个量程都能使用,再依据U=IR=5Ω×0.6A=3V,可以求出答案.

(6)这是本题的难点,也是等效替代法反复使用的经典案例.第①问中,关键要根据题目要求画出如图7甲所示的电路图,并且利用“简单电路用电器的电压就等于电源电压”这一基础结论予以解决;第②问中的重点依然是依据题目的要求,画出如图7乙所示的电路图并依据“串分压”的原理和局部短路的知识,知道要使小灯泡正常发光,部分R2就得分担大小为U-U额的电压;在第③问中,关键还是依据题目的要求画出如图7丙所示的电路,千万不能乱,要分析此时的电路结构并比较与第②问中的不同点,这是理解等效替代法的关键,也是重中之重.第②问中是灯泡L和部分R2串联,电压表测部分R2的电压,而第③问中是R1和部分R2串联,但电压表还是测的部分R2的电压(R2的滑片不动).依据“串分压”的原理,只有第③问中的电压表的示数依然是U-U额时,图丙中R1的电压才等于U额,从而得知此时R1的电阻才是待测灯泡L正常发光时的电阻.那么,接下来就是测量此时的R1的电阻了,于是就有第③问中的第2种情况,即如图7丙中所示,保持R1的滑片不动,将R2的滑片滑到最上端,此时电压表的示数为U1,注意:由于此时R2的阻值最大,R2=R0,R0为已知条件,电源电压为U.所以,根据串联电路中的电阻比等于电压比,就可以求出此时R1的阻值,也就是第④问中,小灯泡正常发光时的电阻为RL=R0(U-U1)/U1.

此题的难度系数较大,部分同学读不懂,或者是分步读懂了,但整体思考时又忘了.所以,一定要分步骤画图,综合利用欧姆定律中的规律,知道最后的R1的阻值就是灯泡L正常发光时的电阻,也就是等效替代法在电学应用题中的综合运用.

等效思维方法,在初中物理教学中的应用非常广泛.具备了这方面的能力,不但能使我们的教学方法变得灵活多变,而且还能使同学们的解题思路越来越开阔,学习物理的兴趣越来越浓厚,解题的水平越来越高.运用等效思维方法总是能使抽象的概念变得更加形象,复杂的问题变得更加简单,知识的迁移变得越来越容易.

参考文献:

[1]吕长连.等效思维方法在初中物理教学中的应用[J].中学物理,2009,27(14):50-52.

[2]姬鸣亚.等效思维在初中物理解题中的合理运用[J].中学物理,2016,34(10):94-95.

(收稿日期:2020-02-15)

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