等效替代思想在高中物理力學(xué)解題中的應(yīng)用初探

張子欣

高中物理是理科生學(xué)習(xí)的重點和難點。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、利用運動過程的等效替代解題、利用物理模型的等效替代解題等。基于此，本文對等效替代思想在高中物理力學(xué)解題中的實際應(yīng)用進行了闡述，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，這不僅僅會造成此階段學(xué)習(xí)成績的下降，還會影響到接下來物理知識的學(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，以便于我們對力學(xué)問題進行良好解答。

一、利用作用力的等效替代解題

對于高中階段的物理學(xué)習(xí)來說，其與初中的物理知識存在較大的差別，最為明顯的便是物理知識的難度提升了很多，就物理力學(xué)學(xué)習(xí)而言，在對相關(guān)的題目進行解答時，常常會受困于受力分析上，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，若簡單的列方程，則常常會出現(xiàn)解答錯誤的現(xiàn)象。此時，為對題目進行良好的解答，便應(yīng)運用等效替代的思想，對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)題目的實際問題分析，若其中存在明確告知的恒力，應(yīng)先行對該恒力進行計算，使之合并成一個力，這也就是等效替代，可有效將多個力進行簡化，此時再對題目進行解答，便會發(fā)現(xiàn)解題思路變得清晰許多，此時再利用方程對受力模型進行解答，不僅僅使計算過程變得簡便，還有助于提升解題的正確性，有利于我們在對同類型的物理力學(xué)題目的解答時，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，便可充分運用作用力的等效替代來進行解答。如圖所示，有一個質(zhì)量為4kg的質(zhì)點，其在大小、方向均不同的六個共點力的作用之下，呈現(xiàn)出平衡狀態(tài)，已知六個作用力之中存在兩個相互垂直的作用力，分別為4N和3N，若將這兩個作用力撤掉，則質(zhì)點的加速度是多少？

解答，從圖I的受力圖及題干的分析可發(fā)現(xiàn)，該質(zhì)點所受到的作用力較多，除需要撤掉的兩個作用力外，質(zhì)點所受其余的作用力沒用明確的方向，此時對題目的解答首先應(yīng)得到除撤出力以外的作用力的合力，如圖2所示，將相互垂直的兩個力的合力為F甲。此時，對題目進行分析可以發(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這兩個作用力，則僅剩合力F乙，此時對質(zhì)點所受到的合力依照公式F=ma進行計算，可得加速

二、利用運動過程的等效替代解題

在高中階段的物理學(xué)習(xí)之中，許多題目之中都會涉及到運動方面的知識，且部分題目之中物體的運動過程通常較為復(fù)雜，若僅僅依照相關(guān)的公式進行解題，通常會因缺少相應(yīng)的解題思路，而無法將題目良好的解答出來。此時，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過程之中，充分運用合運動與分運動之間所具有的等效性，來對題目之中的運動進行簡化分析。

例如，在進行物理題目的解答時，對于水平方向的勻速直線運動與豎直方向上的自由落體運動，可將這兩種運動看做是平拋運動的分運動，則平拋運動也就是二者的合運動，依照此類解題思路便可將較為復(fù)雜的曲線運動類型的題目，用兩個較為簡單的直線運動組合題目所代替。而面對自由落體運動及勻速直線運動題目的解答，我們通常能夠?qū)忸}的知識內(nèi)容良好的運用，同時也擁有良好的解題思路，能夠?qū)︻}目良好的解答。例如，在圖3所示的勻強電場之中，電場強度為E，此時豎直向上發(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，求小球在運動過程中具有的最小速度。

解答，對圖及題干進行分析，可知小球受到重力G及電場力F的作用，且這兩個力的合力為F合，由此可知小球做曲線運動。此時如圖設(shè)置y軸與x軸，并在這兩個方向分解V0，則此時Vx=V0sinθ，vy=v0cosθ，在x方向做勻速直線運動，且Vx=V0sin勻減速直線運動，此時便可用上述的等效代替思想進行解題，將之用兩個較為簡單的直線運動代替。此時，可知當(dāng)在Y方向上的的Vy=0時，二者之間的和速度最小，此時便是小球在運動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，對大量的物理習(xí)題進行總結(jié)，可發(fā)現(xiàn)在近年來的高考物理試題之中，命題人在出題時對新的創(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，此時在對物理題目進行解答時，應(yīng)提升自身對模型的認知，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，在一個光滑的水平面內(nèi)的光滑絕緣板上，豎直固定著一對平行的金屬板，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?，此時一個質(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，對題干進行大致的分析后，可發(fā)現(xiàn)其可利用子彈穿木塊模型的等效替代思想進行解題，此時設(shè)小球到達金屬板左端時的速度為V，經(jīng)由動量守恒便可得到mv0=（M+m）v，而后利用能量守恒進行解代入得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、運動、模型等方面的知識內(nèi)容，通常都用較為復(fù)雜的方式進行表達，但知識的本質(zhì)是不變的，只要在解題過程之中充分運用等效替代思維，便能夠?qū)?fù)雜的內(nèi)容有效簡化，此時僅利用學(xué)過的知識便能夠?qū)︻}目輕松解答。