替代法

摘 要：近年來，隨著課程改革的逐步實施，科學探究也成了中考的重中之重，通過對學生的科學探究能力、科學探究方法和意義的滲透，關注學生的思維過程。這需要學生在平時注意積累各種科學方法：分類法、控制變量法、估測法、替代法、圖像描述法等，教師在平時的教學中也要滲透各種科學探究方法，讓學生的思維能力不斷提高。

關鍵詞：科學探究方法；替代法；物理思維能力

物理學是一門以實驗為基礎的研究物質結構和相互作用及運動基本規律的學科。物理概念是在對物理現象和科學實驗觀察的基礎上抽象出其本質而形成的；物理規律是在對實驗現象和結論進行思維加工而總結歸納出來的。在物理概念和規律的教學中，教師必須遵循學生認識事物的規律，即觀察實驗——思維——應用進行教學，如果我們能在建立不同概念和規律時讓學生認識、體會這些科學思維的方法，通過學生動手做實驗并觀察實驗現象，體驗成功的樂趣從而加深對知識的理解，就等于交給學生一把打開思維寶庫的金鑰匙。替代法就是眾多金鑰匙中的一把。

物理學的一些問題，研究對象、題設條件比較復雜，按實際發生的狀態變化進行討論困難很大，我們對研究對象、背景條件、物理過程進行分解、變換、替代、重組，使它們更簡單、更容易理解，這種研究問題的方法叫替代法。初中物理在研究概念規律和實驗中多處用了這種方法，近年來在中考習題中也頻頻露面，筆者對中學物理中出現的替代法作了一些歸類：

一、模型替代

在物理學研究及解決問題的過程中，人們常常用簡單的、易于研究的模型來代替復雜的物理客體，這種研究方法稱為模型替代法。物理學的基本概念、基本規律都是對物理模型的描述；物理習題也總是依據一定的物理模型構思和設計的；對物理現象的研究或對物理問題的求解就是一個將具體問題抽象成理想模型并運用物理規律求得結果的過程。模型法有較大的靈活性，每種模型有限定的運用條件和運用的范圍，物理模型一般可分為客體模型、條件模型和過程模型三類。

1.客體模型是指用模型代替原型或用實物模型來代替實際客體。利用模型可以將過小的實物放大，或將過于龐大的實物縮小，以利于學生的觀察。如在講解游標卡尺和螺旋測微器的結構、原子內部結構、起重機的吊臂時采用的模型。利用模型也可以說明物理的某一概念或原理，使其可快、可慢，亦可停，破解學生學習的難點，便于學生形象、直觀地掌握物理屬性和工作原理，如“眼睛”模型，讓學生了解眼睛的結構，知道了正常人的眼睛通過晶狀體的調節，像應成在視網膜上，而近視眼和遠視眼是由于晶狀體的調節功能出現問題，使像成在了視網膜的前方或后方；“汽油機”“柴油機”模型使學生能形象地觀察到進氣門和排氣門的開合狀態，一個工作循環活塞上下運動、曲軸和飛輪的旋轉情況，火花塞的點燃時刻等，配合老師的講解，使熱機的工作原理和能量轉換躍然眼前；“發電機”“電動機”的模型讓學生能直觀地看到電流的方向與磁場方向以及磁場力方向三者間的關系，從而使學生很容易地找到了平衡位置，知道電動機和發電機的工作原理、電動機轉速的影響因素以及發電機電流大小變化的原因等。

2.條件模型是為了突出現象的本質，使規律簡單、明晰，常采用把研究對象、背景條件、變化過程抽象成某種特殊的形式來處理。理想化就是條件模型的典型，在進行牛頓第一運動定律的實驗時，我們把水平軌道的毛巾換成白布再換成木板，發現物體在越光滑的平面運動得越遠，然后進行理想化，得到如果平面絕對光滑，物體將做勻速直線運動；在做真空不能傳聲實驗時，我們發現空氣越少，傳出的聲音就越小，同樣進行理想化，得出真空不能傳聲的結論。

3.過程模型是指在對物理現象的研究或對物理問題的求解時將具體問題抽象成過程的結構模型。能否全面分析、找準模型是成功的關鍵，如在對推土機推土、壓路機壓路和小朋友滑滑梯等物體受力分析時要先構建模型，再確定力的作用點、方向以及各力之間的大小關系；在求液體對豎直的容器底的壓強的時候，我們也是選了一個液柱模型作為研究的對象；在光的反射和折射的過程中，我們用光線作為模型，作出光的傳播路徑，這樣可以將問題簡化。

二、實驗替代

某些物理實驗研究，直接通過物理測量或實驗方法處理不能達到效果，通過替代法進行實驗測量或實驗方法處理，可以簡化測量或方法應用，從而達到實驗效果，這種方法也叫轉換法。其中一種是用于研究一些比較抽象的、看不見、摸不著的物質的微觀現象，要研究它們的運動規律，使之轉化為學生熟知的、看得見、摸得著的宏觀現象來認識它們。例如：桌子的形變看不見，我們用一束激光，并用平面鏡多次反射后射向墻壁，用激光的反射點的上下移動來認識；用打擊過的音叉去接觸水面濺起水花來認識聲音的產生是由于物體的振動；判斷電路中是否有電流時，我們可以根據電流產生的熱效應來認識它；磁場看不見、摸不著，我們可以根據磁極間的相互作用來認識等等。另一種是由于一些物理量不容易測得，我們可以根據定義式轉換，用可以直接測量的物理量來替代。例如：比較液體的壓強大小時用比較壓強計內液面的高度差來替代；在測量滑動摩擦力時轉換成測拉力的大??；在研究吸收熱量和物質種類關系時，用相同熱源加熱的時間來衡量吸收熱量的多少；在研究電熱與電流、電阻的因素時，我們將電熱的多少轉換成溫度計示數的變化；用燈泡的亮暗來判斷實際電功率等等，這些都是實驗替代的典型例子。

三、等效替代

所謂等效替代，是指要在保持效果不變的前提下對研究對象和物理過程進行變換和替代，從而研究物理事物的本質和規律，分析和處理物理問題的一種思維方法。等效思維法除了要突出“保持效果”不變的前提外，還要強調在研究對象、背景條件、物理過程進行替代、重組時不能違背題設條件和物理規律，否則不能保證“效果”不變。等效替代可以分為兩種：一種是現象的等效替代，如平面鏡成像實驗中為比較物與像的大小，我們用了兩根完全相同的蠟燭，用其中的一根替代像的位置，比較像與替代蠟燭的大小得出物與像大小相等，而替代蠟燭到平面鏡的距離即為像到鏡的距離；在研究合力時，若一個力與兩個力使彈簧發生的形變相等，那么這一個力就等效替代兩個力；在研究串、并聯電路的總電阻時，也用到了相同的方法。另一種是本質的等效替代，就是不同物理事物在本質上有相同的基礎而進行的替代的思維方法。如電功是電流做的功，而電能是物體所具有的電能量，雖然并不代表所有的電能都能做功，但是有多少電能轉化成其他形式的能，就說電流做了多少功，功和能的單位都是焦耳，兩者是有著相同的基礎的；做功和熱傳遞在改變內能的本質上是相同的，只是方式不同。

總之，蘇科版初中物理教材充分體現了替代法是一種科學的思維方法。教師應該在教學中重視概念和規律的建立過程，因為這一過程是學生進行思維加工的過程，是學生認識事物的過程，也是培養學生思維能力的過程，是學習物理知識的關鍵。

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（作者單位 江蘇省昆山市淀山湖中學）