自然界物质的构成、运动及相互作用是极其复杂的,但它们之间存在各种各样的等同性,为了认识复杂事物的物理本质,我们往往从事物的等同效果出发,将其转化为等效的、简单的、易于研究的物理事物,这种方法成为等效替代的方法。按等同效果的形式不同,可将其分为模型等效代替、过程等效代替、作用等效代替、本质等效代替。
一、模型等效代替。
在物理学研究及解决问题的过程中,我们常以简单的、易于研究的模型来代替复杂的物理客体,这种方法叫模型等效替代法。模型等效替代法又可以分成三种。
1.通过抽象、概括等思维过程形成理想模型来代替实际客体
如质点、单摆、弹簧振子、理想气体、点电荷、点光源、线光源等。当然这种处理是在一定条件下,一定精度范围内的一种替代,随着条件和要求精度的变化,这些模型也要随之变化,从而更好地体现实际客体的真实属性。如当实际气体不能当作理想气体时,可以把它当作范氏气体模型来处理。当然高中物理为降低难度,没有不涉及这种修正。
2.实物模型来代替实际客体
例如,为了对某种难以直接测量的对象进行测量,可以制成与研究对象具有一定相似关系的模型,通过对模型的测量,了解原型的某些属性,在物理学中经常制成发电机模型、内燃机模型、电动机模型、回旋加速器模型、质谱仪模型等来模拟实际发电机、内燃机、电动机、回旋加速器、质谱仪的工作过程,从而使学生更好地了解其工作原理。
3.理论模型对微观粒子客体的替代
例如,核式结构模型来代替原子;波粒二象性模型可代替光和实物粒子,表征光和实物粒子的特征等等。
二、过程等效替代
用一种或几种简单的过程来代替一种复杂的过程的方法。主要表现在两个方面。
1.用理想过程等效代替实际过程
例如,在研究自由落体和抛体运动的时候,我们忽略了空气阻力、风速、风向、抛体的转动等影响。用准静态过程等效代替实际的热力学过程;用等温过程等效代替热力学系统温度近似不变的过程。
2.用一种或几种简单的过程代替一种复杂的过程
例如,“平均速度”概念的引入,就是把变速运动等效为匀速运动,从而把复杂的变速运动转化为简单的匀速运动来处理。又如,对曲线运动的研究,我们将其分解为等效的直线运动,逐个研究这些直线运动的规律,然后再将其合成为曲线运动。如平抛运动可以分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的合成。当然在用几个简单过程代替复杂过程时,几个简单过程必须满足独立,互不影响的原则。
三、作用等效替代
看似不同的物理作用过程却对外界产生相同的作用效果时的替换。
1.矢量在合成和分解中的替换
如力的“合成”与“分解”概念的建立;在电磁学中,几个带电体所产生的电场对一个电荷的作用,相当于每一个带电体单独存在时对该电荷作用的矢量和。当然合磁场和分磁场之间也可以进行等效替换,但此时的替换均不能考虑两个分矢量之间的相互影响。
2.标量之间的等效作用替换
如等效电阻的计‘算问题,串联电路的总电阻等于各个电阻之和,并联电路的总电阻的倒数等于各个分电阻的倒数之和。交流电流的有效值的提出,也用到交流电作用的热效果与直流电产生的热效果相同的特点进行替换。热力学第一定律的建立,也是基于做功和热传递在改变物体内能方面的作用效果相同的特点。另外在等效电源、等效电路、探究黑箱问题时,都用到了这种作用等效替换。
四、本质的等效替换
不同物理事物或同一物理事物的不同形式以及其规律或表述在本质上相同为基础而进行的等效代替的思想方法。
某一定律各种表述之间的等效替换。例如,热力学第二定律是热力学中一个很重要的宏观规律,它有多种表述,其中最著名的为开尔文表述:不可能从单一热源吸取热量,使之完全变为有用的功而不引起其他变化(或第二类永动机是不可能制成的)。克劳修斯表述:热量不可能自动地从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。可以证明这两种表述是等价的。开尔文表述的实质:功变热的过程是不可逆的;克劳修斯表述的实质是热传导的过程是不可逆的。但不管怎样表述均具有共同的本质:一切与热现象有关的实际的宏观过程是不可逆的。当然,电磁学中的楞次定律也可以从磁场方向的角度,从相对运动的角度,从能量的角度去描述。所以,在解决物理问题时,可具体情况任选一种表述。
最后指出,等效代替的方法不仅是物理学中一种很重要的思维方法,而且是控制论中功能模拟方法的基础。但在具体处理物理问题时,要视具体情况而定,同时,其结论的正确性也需要由实验去验证。
参考文献:
1.胡航,《浅谈在教学中如何培养学生物理等效思维能力》[J],《桂林师范高等专科学校学报》,2003,06
2.陈廷侠; 陈玉新,《物理学方法在物理学教学中的意义》[J],《新乡师范高等专科学校学报》,2003,03
