初中物理“等效替代法”的探索與應用

程建清

摘 要：等效替代法是初中物理教學中最常用的科學方法之一，在實際的教學過程中，正確探索并掌握“等效替代法”處理物理問題的步驟，并把它應用到物理課堂教學中，讓學生感受到探究的樂趣，培養學生的創新思維能力。

關鍵詞：等效替代法；體現體驗；探索規律；遷移應用

等效替代法是指在保證某種效果（特性和關系）相同的前提下，將實際的、復雜的、抽象的、難以理解的物理問題和物理過程轉化為等效的、簡單的、易于研究的物理問題和物理過程的科學方法。等效替代法是從效果等同的角度研究物理現象和物理過程的方法，不同情況下等同的效果具有不同的物理內容 。

等效替代法是初中物理課堂中較常用的一種科學方法，它能有效的解決初中物理教材中有關概念教學和規律教學的難題，促進物理課堂中的“結論”教學向“過程”教學的轉變，有利于培養學生的探究精神和創新思維能力，提高學生的科學素養。

1 探尋“等效替代法”在初中物理教材中的內容

依據《義務教育物理課程標準（2011年版）》，遵循現行的由上?？茖W技術出版社出版的初中物理教材中的內容，匯總出了教材中有關涉及到等效替代法的知識點，羅列于表1中。

2 等效替代法處理物理問題的一般過程

物理規律一般都具有隱蔽性、抽象性，使教材中隱性的物理規律用顯性的科學方法表現出來，讓學生看得清、看得懂，這是等效替代法最主要的功能之一，也是初中物理教師所要具備的教學技能。

例1：探究電路中電阻的串、并聯

分析：如圖1、圖2所示，兩個串聯著的電阻R1、R2，其中R1=10Ω、R2=20Ω，測出此時R1、R2兩端的電壓為U，電路中通過的電流為I；用一個R=30Ω電阻來替代電阻R1、R2，控制其兩端電壓也為U，發現通過電路中的電流也為I。也就是說：電阻R在電路中所產生的效果與電阻R1、R2在電路中共同作用所產生的效果相同。如果一個電阻R代替兩個串聯著的電阻R1、R2接入電路后，電路的狀態不變，即R兩端的電壓和通過它的電流都與原來的相同，R就叫做這兩個串聯電阻R1、R2的總電阻。

電阻R與R1、R2之間的關系推導如下：

由歐姆定律可知

U=IR，U1=I1R1， U2=I2R2

由U=U1+U2，

可得：IR=I1R1+I2R2 因I=I1=I2

所以R=R1+R2

以例1為例，可以歸納總結出等效替代法處理物理問題的一般過程：

（1）尋找原事物中的核心特征

任何一個可以運用等效替代法來處理的物理現象，都有其核心特征。核心特征是指事物的最本質、最主要的特性，是分析物理現象的關鍵所在，核心特征有助于我們解剖物理現象。例1中的核心特征就是保持電路中的U、I不變。

（2）尋找不改變核心特征的可替代事物

用另一個使物理問題更簡單化的事物來替代原先的事物，是等效替代法的關鍵所在。例1中電阻R與電阻R1、R2分別在電路中產生相同的作用效果，其核心特征相同，即U與I的數值一樣，這樣我們就可以說電阻R可以替代原電路中的R1、R2。

（3）尋找替代事物與被替代事物之間的規律

兩個互相可以替代的事物之間的規律，是一種紐帶，具有普遍性，可以把不同的兩個事物緊密的聯系起來，最終形成物理學中的定律與結論。比如例1中R=R1+R2。

（4）規律的遷移與應用

例1中用等效替代法解決了電阻的串聯，同理，其科學方法也可以遷移到電阻的并聯中，最終可以得出有關并聯電路中電阻的關系：=+ 。

3 等效替代法在初中物理教學中的應用

（1）在物理規律教學中體會等效替代法

物理規律是指在不同的物理現象之間，在發生物理變化的過程中存在一定條件下必然發生的規律，物理規律反映了不同事物之間的本質聯系。物理規律的教學是初中物理教學中重要的組成部分。等效替代法可以讓物理規律用最簡單、最直觀的方式呈現給學生，提高教學效率，起到事半功倍的效果。

例2：重為8N的某物體，其體積為1000cm3，將其放入水中，試判斷該物體靜止時的最終狀態？

解析：判斷一個物體的最終狀態，主要是通過分析物體的受力情況。很明顯，把一個物體放入水中，必然會受到重力G與浮力F浮兩個力的作用。如果G>F浮，物體下沉；如果G=F浮，物體懸浮或漂浮；如果G< F浮，物體最終將漂浮在水面。本題的關鍵在于如何解決物體所受到浮力的大小。我們可以假設該物體最終靜止時是完全浸沒在水中，根據阿基米德原理：浸在液體中的物體，所受到的浮力等于物體排開液體的重。所以，該物體排開的水重可以等效為該物體所受到的浮力，即： F浮=G排=m排g = ρ水V排g =1.0×103kg/m3×103×10-6m3×9.8N/kg=9.8N，因為G< F浮，所以原先我們的假設是錯誤的，該物體最終靜止時，其狀態是漂浮在水面上。

阿基米德原理從概念上理解是抽象的，通過本題中浮力的計算，讓學生體會到了等效替代法的內涵，即可以用直觀的排開的水重來替代抽象的、看不見摸不著的浮力大小，使問題簡單化、明了化，有取于學生理解吸收。

（2）在物理實驗教學中體驗等效替代法

物理是建立在實驗基礎上的學科，而實驗中又蘊含著大量的科學方法。物理實驗是教師有目的、有計劃地利用儀器、設備，在人為控制的條件下使物理現象反復再現，從而進行觀測研究的科學實踐活動 。新課標的初中物理教材中安排了大量的演示實驗、科學探究、實踐活動、迷你實驗等等。把科學方法與實驗緊密的結合在一起，能夠讓教師更好的去“教”，學生也可以更好的去“學”，重要的是通過實驗，能夠讓學生體驗到科學方法，體驗到探索自然科學的奧妙所在，體驗到學習物理的樂趣。

而等效替代法是一種最常用的、十分有效的用來探究物理規律的科學方法之一。

例3.自制一個水氣壓計，并用它來觀察氣壓的變化

分析：首先需要明確測量的對象是大氣壓，而大氣壓在每平方米上的壓力大約是10 N，如果要自制一個裝置，直接把大氣壓的值測量出來，將是十分的困難，要解決這個問題，我們可以采用等效替代法。

從托里拆利實驗中我們可以得到啟發：裝滿水銀的1米長的玻璃管倒插在水銀槽中，穩定后，玻璃管中水銀的高度只有76cm，說明玻璃管中水銀受到內外的壓強相等，而此時玻璃管的上方是真空的，所以，76cm高的水銀所產生的壓強就等于大氣壓。托里拆利實驗滲透了一個很好的科學方法，就是等效替代法。在排除了其他因素后（水銀上方是真空的，不存在氣壓）水銀趨于穩定后，用水銀所產生的壓強來替代大氣壓強。

實驗器材：普通的硬質塑料瓶、小水槽、固定支架、小刻度尺

實驗步驟：

①在小水槽中裝入適量的水，再在硬質塑料瓶中裝入四分之三的水，用手蓋住瓶口，再將它倒置過來，放入小水槽中，使瓶口沒入水面下，然后將手移開。

②保持硬質塑料瓶的位置不變，用固定支架把硬質塑料瓶固定好。

③在硬質塑料瓶上貼上小刻度尺。

（3）在創新思維過程中體現等效替代法

現代的物理教學過程也是培養學生創新思維的過程?？茖W方法在物理教學中的滲透，打破了原有的重“結論”輕“過程”的教學方式，充分的發揮學生創造性的創新思維能力，給學生以更自由的想象空間，受教師科學方法潛移默化的影響，其創新的思維方式又會不知不覺得體現出科學方法。

例4.在利用光的反射探究平面鏡成像中，將玻璃板垂直架在紙上，在玻璃板一個側面立一支點燃的蠟燭，透過玻璃板觀察其另一側面后的蠟燭的像；將光屏放到像的位置，不透過玻璃板，直接觀察光屏上有無像；將相同的未點燃的蠟燭放在像的位置上，觀察像與蠟燭的大小關系；用直尺量出蠟燭和像到玻璃板的距離。

分析：這是教材中探究平面鏡成像特點的一個實驗。其中將相同的未點燃的蠟燭放在像的位置上，其科學方法就是等效替代法，用實際未點燃的蠟燭來替代玻璃板中看到的蠟燭的虛像，據此可以探究平面鏡的成像特點。所以，如何準確的找到玻璃板中蠟燭的像，是探究平面鏡成像特點的關鍵，也是這節探究課的成敗所在。

問題：如何能更準確的定位出玻璃板中蠟燭的像呢？

首先討論，由于玻璃板的另一側沒有水銀層，其呈現出來的蠟燭的像并不是十分的清晰，在確定像的位置時，未點燃的蠟燭往往不容易與玻璃板中蠟燭的像做到完全重合。

其次討論，平面鏡中所呈現出來的像十分清晰，但其另一面有水銀層，無法透過平面鏡看到另一側蠟燭的虛像，當然也就無法用未點燃的蠟燭替代鏡中的像。

就有學生提出：能不能把玻璃板與平面鏡的這兩種特性結合起來，既能透過玻璃板看到清晰的蠟燭的像，又能準確無誤的找到虛像的位置？

經過激烈的討論和思維的碰撞，就有學生創新性的提出解決方案：把平面鏡另一側的水銀層每隔2厘米刮去一部分，使之看起來象交通路口的斑馬線，如圖3所示。結果發現，透過這個自制的半平面鏡半玻璃板的裝置，不但可以清晰的看到蠟燭的虛像，找到像的位置也十分的方便準確。

4 等效替代法在應用過程中的兩個注意點

（1）注意等效替代法與其他科學方法的有機結合

物理教學中的科學方法除了等效替代法，還有控制變量法、理想模型法、推理法、比例法、類比法、轉換法、圖像法等等。每一種科學方法的背后都蘊含著不同的科學思維能力與科學觀察角度，科學方法在物理教學過程中的應用不應該是單一的、獨立的、與其他科學方法相割裂開來，也并不是為了應用而應用，所有的科學方法都應該有機的結合，共同為物理教學的理念服務。

（2）注意等效替代法的滲透不能依賴于信息技術

信息技術教育的發展，一定程度上豐富了物理課堂的教學方式，增大了物理課堂的信息量，可以讓抽象的物理知識和物理現象通過信息技術教育變得具體化、直觀化。比如：在講到《看不見的運動》時，對于分子的動理論可以通過動畫、影片介紹等方式來展示給學生，使學生更易于理解與接受。信息技術可以用來演示物理現象的過程，但信息技術不能用來替代思維過程與探究過程。等效替代法在物理教學過程中的滲透實際上就是思想和思維上的滲透，在物理課堂上呈現出的是一種探究過程，這種過程是用任何信息技術都無法代替的，否則只會本末倒置，重新回到重“結論”輕“過程”的舊模式中去。等效替代法如此，其他的科學方法也是如此。

綜上所述，等效替代法在物理教學中的應用實際上就是科學方法的滲透、思維的滲透，教師要通過這種方式，培養學生正確的學習方法與思維方式，提高自身學習的能力，獲得認知的快樂，讓學生從運用科學方法的感知中，不斷提高自身的科學素質，為終身學習打下堅實的基礎。

參考文獻：

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