張子欣
高中物理是理科生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在高中階段的物理學(xué)習(xí)過程中,我發(fā)現(xiàn)大部分同學(xué)在該學(xué)科上都投入了很多精力,收效卻甚微,特別是有關(guān)力學(xué)方面。我在大量的實(shí)踐練習(xí)當(dāng)中發(fā)現(xiàn):在力學(xué)題中應(yīng)用等效替代思想對(duì)解題有事半功倍的效果,如利用作用力的等效替代解題、利用運(yùn)動(dòng)過程的等效替代解題、利用物理模型的等效替代解題等?;诖?,本文對(duì)等效替代思想在高中物理力學(xué)解題中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了闡述,希望為廣大學(xué)者在高中物理力學(xué)題目的解題提供參考。
在高中階段的學(xué)習(xí)之中,物理是極為重要的一門課程,而力學(xué)恰恰是物理學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)內(nèi)容,但在力學(xué)習(xí)題的練習(xí)之中,許多同學(xué)無法合理的進(jìn)行受力分析,自然也就無法良好的解決物理習(xí)題,這不僅僅會(huì)造成此階段學(xué)習(xí)成績(jī)的下降,還會(huì)影響到接下來物理知識(shí)的學(xué)習(xí)。因此,為良好的解決物理力學(xué)習(xí)題,應(yīng)在解題的過程之中,充分發(fā)揮等效替代思想的作用,以便于我們對(duì)力學(xué)問題進(jìn)行良好解答。
一、利用作用力的等效替代解題
對(duì)于高中階段的物理學(xué)習(xí)來說,其與初中的物理知識(shí)存在較大的差別,最為明顯的便是物理知識(shí)的難度提升了很多,就物理力學(xué)學(xué)習(xí)而言,在對(duì)相關(guān)的題目進(jìn)行解答時(shí),常常會(huì)受困于受力分析上,從而難以將題目良好的解答出來,加之在有些力學(xué)題目之中,其受力分析較為復(fù)雜,若簡(jiǎn)單的列方程,則常常會(huì)出現(xiàn)解答錯(cuò)誤的現(xiàn)象。此時(shí),為對(duì)題目進(jìn)行良好的解答,便應(yīng)運(yùn)用等效替代的思想,對(duì)合力與分力之間的等效替代關(guān)系充分的利用,根據(jù)物理力學(xué)題目的實(shí)際問題分析,若其中存在明確告知的恒力,應(yīng)先行對(duì)該恒力進(jìn)行計(jì)算,使之合并成一個(gè)力,這也就是等效替代,可有效將多個(gè)力進(jìn)行簡(jiǎn)化,此時(shí)再對(duì)題目進(jìn)行解答,便會(huì)發(fā)現(xiàn)解題思路變得清晰許多,此時(shí)再利用方程對(duì)受力模型進(jìn)行解答,不僅僅使計(jì)算過程變得簡(jiǎn)便,還有助于提升解題的正確性,有利于我們?cè)趯?duì)同類型的物理力學(xué)題目的解答時(shí),擁有更加清晰明確的解答思路。
例如,在解答圖1所示的物理力學(xué)題目時(shí),便可充分運(yùn)用作用力的等效替代來進(jìn)行解答。如圖所示,有一個(gè)質(zhì)量為4kg的質(zhì)點(diǎn),其在大小、方向均不同的六個(gè)共點(diǎn)力的作用之下,呈現(xiàn)出平衡狀態(tài),已知六個(gè)作用力之中存在兩個(gè)相互垂直的作用力,分別為4N和3N,若將這兩個(gè)作用力撤掉,則質(zhì)點(diǎn)的加速度是多少?
解答,從圖I的受力圖及題干的分析可發(fā)現(xiàn),該質(zhì)點(diǎn)所受到的作用力較多,除需要撤掉的兩個(gè)作用力外,質(zhì)點(diǎn)所受其余的作用力沒用明確的方向,此時(shí)對(duì)題目的解答首先應(yīng)得到除撤出力以外的作用力的合力,如圖2所示,將相互垂直的兩個(gè)力的合力為F甲。此時(shí),對(duì)題目進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),作為其余力的合力F乙,其必然與兩個(gè)撤出力的合力F甲相平衡,也就是說合力F乙與合力F甲效果相同,若撤掉4N和3N這兩個(gè)作用力,則僅剩合力F乙,此時(shí)對(duì)質(zhì)點(diǎn)所受到的合力依照公式F=ma進(jìn)行計(jì)算,可得加速
二、利用運(yùn)動(dòng)過程的等效替代解題
在高中階段的物理學(xué)習(xí)之中,許多題目之中都會(huì)涉及到運(yùn)動(dòng)方面的知識(shí),且部分題目之中物體的運(yùn)動(dòng)過程通常較為復(fù)雜,若僅僅依照相關(guān)的公式進(jìn)行解題,通常會(huì)因缺少相應(yīng)的解題思路,而無法將題目良好的解答出來。此時(shí),為能夠在解題之中擁有較為清晰的解題思路,可以將等效替代的思想貫穿于解題的整個(gè)過程之中,充分運(yùn)用合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)之間所具有的等效性,來對(duì)題目之中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。
例如,在進(jìn)行物理題目的解答時(shí),對(duì)于水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)與豎直方向上的自由落體運(yùn)動(dòng),可將這兩種運(yùn)動(dòng)看做是平拋運(yùn)動(dòng)的分運(yùn)動(dòng),則平拋運(yùn)動(dòng)也就是二者的合運(yùn)動(dòng),依照此類解題思路便可將較為復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)類型的題目,用兩個(gè)較為簡(jiǎn)單的直線運(yùn)動(dòng)組合題目所代替。而面對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)及勻速直線運(yùn)動(dòng)題目的解答,我們通常能夠?qū)忸}的知識(shí)內(nèi)容良好的運(yùn)用,同時(shí)也擁有良好的解題思路,能夠?qū)︻}目良好的解答。例如,在圖3所示的勻強(qiáng)電場(chǎng)之中,電場(chǎng)強(qiáng)度為E,此時(shí)豎直向上發(fā)射一枚小球,小球的質(zhì)量為m,初速度為v0,小球的電量為+q,求小球在運(yùn)動(dòng)過程中具有的最小速度。
解答,對(duì)圖及題干進(jìn)行分析,可知小球受到重力G及電場(chǎng)力F的作用,且這兩個(gè)力的合力為F合,由此可知小球做曲線運(yùn)動(dòng)。此時(shí)如圖設(shè)置y軸與x軸,并在這兩個(gè)方向分解V0,則此時(shí)Vx=V0sinθ,vy=v0cosθ,在x方向做勻速直線運(yùn)動(dòng),且Vx=V0sin勻減速直線運(yùn)動(dòng),此時(shí)便可用上述的等效代替思想進(jìn)行解題,將之用兩個(gè)較為簡(jiǎn)單的直線運(yùn)動(dòng)代替。此時(shí),可知當(dāng)在Y方向上的的Vy=0時(shí),二者之間的和速度最小,此時(shí)便是小球在運(yùn)動(dòng)過程中具有的最小速度,即Vmin=Vx=V0sinθ=V0。
三、利用物理模型的等效替代解題
在高中階段的物理學(xué)習(xí)之中,對(duì)大量的物理習(xí)題進(jìn)行總結(jié),可發(fā)現(xiàn)在近年來的高考物理試題之中,命題人在出題時(shí)對(duì)新的創(chuàng)意、背景、過程更加注重,但究其根本其題目所要考察的內(nèi)容仍然是日常學(xué)習(xí)之中反復(fù)強(qiáng)調(diào)的物理模型,其中主要包括單擺模型、彈簧振子模型、子彈射木塊模型等較為經(jīng)典的物理模型,此時(shí)在對(duì)物理題目進(jìn)行解答時(shí),應(yīng)提升自身對(duì)模型的認(rèn)知,并能夠透過題目的表象看到其考察的本質(zhì)。
例如,在圖4之中,在一個(gè)光滑的水平面內(nèi)的光滑絕緣板上,豎直固定著一對(duì)平行的金屬板,其總質(zhì)量為M=0.3kg,兩金屬板之間的距離為d=0.04m,在金屬板上加以適當(dāng)?shù)碾妷?,此時(shí)一個(gè)質(zhì)量為m=0.1kg,帶電量為q=2.5×10-6C的小球,以大小為v0=10m/s的速度,從右板底部小孔沿絕緣板射入兩金屬板之間,并恰好能夠到達(dá)金屬板左端(未接觸),求兩金屬板之間所施加的電壓U。
解答,對(duì)題干進(jìn)行大致的分析后,可發(fā)現(xiàn)其可利用子彈穿木塊模型的等效替代思想進(jìn)行解題,此時(shí)設(shè)小球到達(dá)金屬板左端時(shí)的速度為V,經(jīng)由動(dòng)量守恒便可得到mv0=(M+m)v,而后利用能量守恒進(jìn)行解代入得U=1.5×106v。
總而言之,在高中階段的物理學(xué)習(xí)之中,物理題目所涉及到的受力、運(yùn)動(dòng)、模型等方面的知識(shí)內(nèi)容,通常都用較為復(fù)雜的方式進(jìn)行表達(dá),但知識(shí)的本質(zhì)是不變的,只要在解題過程之中充分運(yùn)用等效替代思維,便能夠?qū)?fù)雜的內(nèi)容有效簡(jiǎn)化,此時(shí)僅利用學(xué)過的知識(shí)便能夠?qū)︻}目輕松解答。