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等效法是解决物理问题时应用广泛的重要方法之一,是科学研究中常用的一种思维方法.在效果等同的前提下,把实际的、复杂的物理过程变成理想的、简单的等效过程来处理,可使计算简化,也可加深学生对物理概念、规律的理解.掌握等效方法及应用,体会物理等效思想的内涵,有助于提高学生的科学素养,初步形成科学的世界观和方法论,为学生的学习、研究和发展奠定基础.新高考的选拔注重考生的能力和素质,其命题明显地渗透着物理思想、物理方法的考查.等效方法作为一种迅速解决物理问题的有效手段,将体现于高考命题的突破过程中.
一、等效法在圆周运动中的妙用
例1在水平方向的匀强电场E中,用长度为L的绝缘细线拴一小球于O点.当小球平衡时,细线和竖直方向成θ角,如图1.小球质量为m,带正电荷,电量为q.小球从图示位置至少以多大的初速度出发,才能在竖直平面内做圆周运动?
图1图2
分析:物体在重力场中竖直平面内做圆周运动的临界条件是物体运动到最高点时线的拉力为零,重力恰好提供向心力.本题中物体所受重力和电场力的合力即为等效重力,其大小为G′=mgcosθ.所以等效场的加速度g′=G′m=gcosθ.小球在等效场中做圆周运动时的等效最高点为图2中的P点,Q点(图示位置)为等效最低点.设小球在P点的速度为v,则有v=g′L=gLcosθ. 小球从等效最高点到等效最低点(设在等效最低点的速度为v0)的过程,由动能定理得12mv2 G′2L=12mv20. 由以上各式解得做圆周运动在等效最低点的最小初速度为v0=5gLcosθ.
二、等效法在单摆模型中的妙用
图3
例2如图3,一小球用长为L的细线系于跟水平面成α角的光滑斜面内,小球呈平衡状态,若使细线偏离平衡位置,且偏角θ<5°,然后将小球由静止释放,则小球第一次运动到最低点所需的时间是多少?
分析:这是一个斜面上的单摆,与竖直面内的单摆相比较,发现平衡时摆线对摆球的作用力不一样.在竖直面内的单摆平衡时,摆线对摆球的拉力F=mg;斜面上的单摆平衡时,摆线对摆球的拉力F′=mgsinα.两相对比,斜面上的单摆的等效重力加速度为gsinα,代入单摆周期公式,可求周期.此摆的周期:T=2πLgsinα.小球第一次运动到最低点所需的时间为14个周期.∴t=T4=π2Lgsinα.
三、等效法在电学中的妙用
例3现有半球形导体材料,接成如图4所示的两种形式,则两种接法的电阻之比Ra∶Rb=.
(a)(b)
圖4
分析:将半球形导体等分成两块14球形材料,假设每14球形材料相当于用同种材料制成的长为球半径r、截面积为s的电阻R,则图4(a)中的连接方式相当于长为r,面积为2s的等效电阻,Ra=ρr2s=12ρrs=R2;图4(b)中的连接方式相当于长为2r,面积为s的等效电阻,Rb=ρ2rs=2ρrs=2R.所以Ra∶Rb=1∶4.
总之,等效方法在物理解题中有着广泛的应用,能使复杂问题简单化.运用等效法解决物理问题,可使学生把复杂、生疏的物理情景转化为简单、熟悉的物理情景,便于学生与原有的知识发生同化,对知识进行迁移,降低思维梯度,培养了学生的科学思维方法.
一、等效法在圆周运动中的妙用
例1在水平方向的匀强电场E中,用长度为L的绝缘细线拴一小球于O点.当小球平衡时,细线和竖直方向成θ角,如图1.小球质量为m,带正电荷,电量为q.小球从图示位置至少以多大的初速度出发,才能在竖直平面内做圆周运动?
图1图2
分析:物体在重力场中竖直平面内做圆周运动的临界条件是物体运动到最高点时线的拉力为零,重力恰好提供向心力.本题中物体所受重力和电场力的合力即为等效重力,其大小为G′=mgcosθ.所以等效场的加速度g′=G′m=gcosθ.小球在等效场中做圆周运动时的等效最高点为图2中的P点,Q点(图示位置)为等效最低点.设小球在P点的速度为v,则有v=g′L=gLcosθ. 小球从等效最高点到等效最低点(设在等效最低点的速度为v0)的过程,由动能定理得12mv2 G′2L=12mv20. 由以上各式解得做圆周运动在等效最低点的最小初速度为v0=5gLcosθ.
二、等效法在单摆模型中的妙用
图3
例2如图3,一小球用长为L的细线系于跟水平面成α角的光滑斜面内,小球呈平衡状态,若使细线偏离平衡位置,且偏角θ<5°,然后将小球由静止释放,则小球第一次运动到最低点所需的时间是多少?
分析:这是一个斜面上的单摆,与竖直面内的单摆相比较,发现平衡时摆线对摆球的作用力不一样.在竖直面内的单摆平衡时,摆线对摆球的拉力F=mg;斜面上的单摆平衡时,摆线对摆球的拉力F′=mgsinα.两相对比,斜面上的单摆的等效重力加速度为gsinα,代入单摆周期公式,可求周期.此摆的周期:T=2πLgsinα.小球第一次运动到最低点所需的时间为14个周期.∴t=T4=π2Lgsinα.
三、等效法在电学中的妙用
例3现有半球形导体材料,接成如图4所示的两种形式,则两种接法的电阻之比Ra∶Rb=.
(a)(b)
圖4
分析:将半球形导体等分成两块14球形材料,假设每14球形材料相当于用同种材料制成的长为球半径r、截面积为s的电阻R,则图4(a)中的连接方式相当于长为r,面积为2s的等效电阻,Ra=ρr2s=12ρrs=R2;图4(b)中的连接方式相当于长为2r,面积为s的等效电阻,Rb=ρ2rs=2ρrs=2R.所以Ra∶Rb=1∶4.
总之,等效方法在物理解题中有着广泛的应用,能使复杂问题简单化.运用等效法解决物理问题,可使学生把复杂、生疏的物理情景转化为简单、熟悉的物理情景,便于学生与原有的知识发生同化,对知识进行迁移,降低思维梯度,培养了学生的科学思维方法.