从曹冲称象谈等效思维在物理教学中的渗透

曹冲称象是妇孺皆知的故事，当众人面临大象这样的庞然大物，在缺少有效的称量工具而束手无策的时候，他充分运用了浮力，利用了等效替代和化整为零的方法，称量出大象的体重，体现了他的智慧，被世人称道.其实在我们的物理学习中时时刻刻都和科学的方法相联系，我们在物理教学中有意识的突出科学方法的应用，让学生体验了科学探究的过程，了解科学的研究方法，提高了学习物理的兴趣与热情，进一步提高了学生的科学素养，充分体现了物理新课程标准对中学生的要求.

物理方法中，等效方法是最常用的一种方法，它是为了让我们更有效地认识复杂事物的本身规律，人们往往从事物之间的等同效果出发，将复杂的物理事物转换为等效的、简单的、易于研究的物理事物的一种方法.

物理教学中按等同效果形式不同，等效的方法又可分为模型等效、过程等效、作用等效等几种.

1模型等效

即用简单的易于研究的模型代替复杂的物理原型的方法.可以有以下几种途径：

（1）用理想模型代替实物原型，如：用质点模型代替做平动运动的物体，用理想气体模型代替常温、常压下的实际气体，用点电荷代替各向对称的带电小球等等，都是用物理学中抽象建立起的理想模型等效代替了物理原型.在模型等效的教学中，我们更要注重建立模型的过程，如在建立质点模型的教学中，通过展示雄鹰的翱翔、足球的飞滚等让学生体会到实际物体运动的复杂性，也使学生认识到准确描述物体的运动是困难的也是不容易的，但换一个角度来看，在观众眼里的足球，火车调度员眼里的火车都可以看成一个运动的点，把他们看作是一个运动的点来研究的话，就简单得多了.这样通过具体的实例让学生感受到建立理想化模型是突出了研究对象的主要方面，忽略次要因素.这样不仅使对研究对象的描述和研究成为可能，而且更深刻地把握了事物的本质.理想化模型源于具体事物又高于具体事物，是感知和思维的产物.

（2）用实物模型代替实物原型.如我们用一些机器的模型（如发电机、电动机、内燃机等）代替这些实物，从而认识这些机器的构造，一些部件的功能以及机器的原理等，增强了学生们的感性认识，也要让学生知道实际生活中许多科研院所在对机器设备的研制时也会采用了先制作模型再逐步改进的方法.再如在共点力的合成的实验中，我们用皮筋来代替一般受力发生弹性形变的物体，因为皮筋发生形变比一般物体要明显、易测量，从而用它检测一个力作用产生的效果与几个共点力作用在皮筋上产生的效果达到相同.

（3）用理论模型代替对研究对象的描述，如用建立的原子核式结构模型代替原子实物，然后对模型进行讨论，这种方法在一个新理论的创建之初是常用的.这样也会帮学生插上想象的翅膀.

2过程等效

即用一种或几种简单的过程代替一种较为复杂的过程的一种方法.

（1）是以理想过程代替实际物理过程，如在研究抛体运动时，学生虽然都有抛掷篮球、铅球的体验，也知道抛物线，但也投掷过纸飞机，发现不同的投掷物体运动并不相同，只有在理想条件下（忽略空气及其他阻力，忽略物体的自转等次要因素的影响），我们才可以研究质点在平抛、斜抛等情况下，它的速度、位置随时间变化的规律，从而建立规律性的东西，使我们认识实物抛出后的运动规律变的简捷多了，当然这种理想化过程与实际过程之间有差别的，当你作为炮兵射手、飞机投弹手时，就需要作必要的修正，才能更符合实际.再如：在研究气体的性质的时候，我们用准静态过程中的等压过程、等容过程、等温过程来代替气体的发生的实际过程，也会使研究问题大大简化.这种将理想过程代替对实际过程的分析为我们打开了认识复杂过程的大门奠定了基础.

（2）是用一种或几种简单过程代替一个复杂的物理过程，如把平抛运动分解为水平方向上的匀速直线运动和竖着方向上的自由落体运动，这样我们就用这样两个比较简单的直线运动代替了较为复杂的匀变速曲线运动.通过这样的替代，也使学生能用已有的数学知识解决复杂的问题.

3作用等效

物理中常常要研究力的作用，所谓作用等效就是用另一个力或几个力的作用等效代替原来这个力或这个力作用的效果.

我们在研究共点力的合成的时候，就是寻找一个合力来代替几个力共同作用，在研究力的分解的时候，就是用几个力来代替一个力的作用.教学中不仅要让学生明确合力和分力的关系，更重要的让学生懂得通过力的合成，可以“化繁为简”将繁琐问题转化为简单问题来处理，而力的分解可以“化难为易”，用简单方法解决复杂问题.

我们在电路计算中常常通过计算串联或并联电器的总电阻，实际上这也是用一个电阻等效代替了串（并）联的几个电阻对电流的共同阻碍作用.在研究交流电这样随时间变化的电流时，我们可以用交流电的有效值来代替变化电流做功的效果，这样在计算交流电的功和功率时就可以用恒定电流的方法来计算，降低了求解交流电的难度.

可见，在高中物理的学习和解题的过程中，常常会用到等效替代的方法.在教学中培养学生认识事物的相似性或等同性，增强等效替代的意识，解决物理问题就可以起到事半功倍的效果，也让学生感受到物理方法的魅力，提高了学习物理的乐趣.更重要的是通过物理知识的学习，拓展了学生的思维，正如苏霍姆林斯基在给教师的建议中指出的“在我看来教给学生能借助已有的知识去获取知识，这是最高的教学技巧之所在”，让学生掌握科学的方法，就得教给了他们打开科学之门的钥匙.