程建清

摘 要：等效替代法是初中物理教學(xué)中最常用的科學(xué)方法之一，在實(shí)際的教學(xué)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(yīng)用到物理課堂教學(xué)中，讓學(xué)生感受到探究的樂趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

關(guān)鍵詞：等效替代法；體現(xiàn)體驗(yàn)；探索規(guī)律；遷移應(yīng)用

等效替代法是指在保證某種效果（特性和關(guān)系）相同的前提下，將實(shí)際的、復(fù)雜的、抽象的、難以理解的物理問題和物理過程轉(zhuǎn)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(xué)方法。等效替代法是從效果等同的角度研究物理現(xiàn)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(nèi)容 。

等效替代法是初中物理課堂中較常用的一種科學(xué)方法，它能有效的解決初中物理教材中有關(guān)概念教學(xué)和規(guī)律教學(xué)的難題，促進(jìn)物理課堂中的“結(jié)論”教學(xué)向“過程”教學(xué)的轉(zhuǎn)變，有利于培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和創(chuàng)新思維能力，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

1 探尋“等效替代法”在初中物理教材中的內(nèi)容

依據(jù)《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》，遵循現(xiàn)行的由上?？茖W(xué)技術(shù)出版社出版的初中物理教材中的內(nèi)容，匯總出了教材中有關(guān)涉及到等效替代法的知識點(diǎn)，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(guī)律一般都具有隱蔽性、抽象性，使教材中隱性的物理規(guī)律用顯性的科學(xué)方法表現(xiàn)出來，讓學(xué)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(xué)技能。

例1：探究電路中電阻的串、并聯(lián)

分析：如圖1、圖2所示，兩個(gè)串聯(lián)著的電阻R1、R2，其中R1=10Ω、R2=20Ω，測出此時(shí)R1、R2兩端的電壓為U，電路中通過的電流為I；用一個(gè)R=30Ω電阻來替代電阻R1、R2，控制其兩端電壓也為U，發(fā)現(xiàn)通過電路中的電流也為I。也就是說：電阻R在電路中所產(chǎn)生的效果與電阻R1、R2在電路中共同作用所產(chǎn)生的效果相同。如果一個(gè)電阻R代替兩個(gè)串聯(lián)著的電阻R1、R2接入電路后，電路的狀態(tài)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(gè)串聯(lián)電阻R1、R2的總電阻。

電阻R與R1、R2之間的關(guān)系推導(dǎo)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(jié)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(gè)可以運(yùn)用等效替代法來處理的物理現(xiàn)象，都有其核心特征。核心特征是指事物的最本質(zhì)、最主要的特性，是分析物理現(xiàn)象的關(guān)鍵所在，核心特征有助于我們解剖物理現(xiàn)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(gè)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(guān)鍵所在。例1中電阻R與電阻R1、R2分別在電路中產(chǎn)生相同的作用效果，其核心特征相同，即U與I的數(shù)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(guī)律

兩個(gè)互相可以替代的事物之間的規(guī)律，是一種紐帶，具有普遍性，可以把不同的兩個(gè)事物緊密的聯(lián)系起來，最終形成物理學(xué)中的定律與結(jié)論。比如例1中R=R1+R2。

（4）規(guī)律的遷移與應(yīng)用

例1中用等效替代法解決了電阻的串聯(lián)，同理，其科學(xué)方法也可以遷移到電阻的并聯(lián)中，最終可以得出有關(guān)并聯(lián)電路中電阻的關(guān)系：=+ 。

3 等效替代法在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用

（1）在物理規(guī)律教學(xué)中體會等效替代法

物理規(guī)律是指在不同的物理現(xiàn)象之間，在發(fā)生物理變化的過程中存在一定條件下必然發(fā)生的規(guī)律，物理規(guī)律反映了不同事物之間的本質(zhì)聯(lián)系。物理規(guī)律的教學(xué)是初中物理教學(xué)中重要的組成部分。等效替代法可以讓物理規(guī)律用最簡單、最直觀的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，提高教學(xué)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(shí)的最終狀態(tài)？

解析：判斷一個(gè)物體的最終狀態(tài)，主要是通過分析物體的受力情況。很明顯，把一個(gè)物體放入水中，必然會受到重力G與浮力F浮兩個(gè)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(guān)鍵在于如何解決物體所受到浮力的大小。我們可以假設(shè)該物體最終靜止時(shí)是完全浸沒在水中，根據(jù)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?yàn)镚< F浮，所以原先我們的假設(shè)是錯(cuò)誤的，該物體最終靜止時(shí)，其狀態(tài)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(jì)算，讓學(xué)生體會到了等效替代法的內(nèi)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(xué)生理解吸收。

（2）在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中體驗(yàn)等效替代法

物理是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的學(xué)科，而實(shí)驗(yàn)中又蘊(yùn)含著大量的科學(xué)方法。物理實(shí)驗(yàn)是教師有目的、有計(jì)劃地利用儀器、設(shè)備，在人為控制的條件下使物理現(xiàn)象反復(fù)再現(xiàn)，從而進(jìn)行觀測研究的科學(xué)實(shí)踐活動 。新課標(biāo)的初中物理教材中安排了大量的演示實(shí)驗(yàn)、科學(xué)探究、實(shí)踐活動、迷你實(shí)驗(yàn)等等。把科學(xué)方法與實(shí)驗(yàn)緊密的結(jié)合在一起，能夠讓教師更好的去“教”，學(xué)生也可以更好的去“學(xué)”，重要的是通過實(shí)驗(yàn)，能夠讓學(xué)生體驗(yàn)到科學(xué)方法，體驗(yàn)到探索自然科學(xué)的奧妙所在，體驗(yàn)到學(xué)習(xí)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(guī)律的科學(xué)方法之一。

例3.自制一個(gè)水氣壓計(jì)，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(gè)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(gè)問題，我們可以采用等效替代法。

從托里拆利實(shí)驗(yàn)中我們可以得到啟發(fā)：裝滿水銀的1米長的玻璃管倒插在水銀槽中，穩(wěn)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(nèi)外的壓強(qiáng)相等，而此時(shí)玻璃管的上方是真空的，所以，76cm高的水銀所產(chǎn)生的壓強(qiáng)就等于大氣壓。托里拆利實(shí)驗(yàn)滲透了一個(gè)很好的科學(xué)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(wěn)定后，用水銀所產(chǎn)生的壓強(qiáng)來替代大氣壓強(qiáng)。

實(shí)驗(yàn)器材：普通的硬質(zhì)塑料瓶、小水槽、固定支架、小刻度尺

實(shí)驗(yàn)步驟：

①在小水槽中裝入適量的水，再在硬質(zhì)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(zhì)塑料瓶的位置不變，用固定支架把硬質(zhì)塑料瓶固定好。

③在硬質(zhì)塑料瓶上貼上小刻度尺。

（3）在創(chuàng)新思維過程中體現(xiàn)等效替代法

現(xiàn)代的物理教學(xué)過程也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的過程。科學(xué)方法在物理教學(xué)中的滲透，打破了原有的重“結(jié)論”輕“過程”的教學(xué)方式，充分的發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)造性的創(chuàng)新思維能力，給學(xué)生以更自由的想象空間，受教師科學(xué)方法潛移默化的影響，其創(chuàng)新的思維方式又會不知不覺得體現(xiàn)出科學(xué)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(gè)側(cè)面立一支點(diǎn)燃的蠟燭，透過玻璃板觀察其另一側(cè)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(diǎn)燃的蠟燭放在像的位置上，觀察像與蠟燭的大小關(guān)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(diǎn)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。其中將相同的未點(diǎn)燃的蠟燭放在像的位置上，其科學(xué)方法就是等效替代法，用實(shí)際未點(diǎn)燃的蠟燭來替代玻璃板中看到的蠟燭的虛像，據(jù)此可以探究平面鏡的成像特點(diǎn)。所以，如何準(zhǔn)確的找到玻璃板中蠟燭的像，是探究平面鏡成像特點(diǎn)的關(guān)鍵，也是這節(jié)探究課的成敗所在。

問題：如何能更準(zhǔn)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(cè)沒有水銀層，其呈現(xiàn)出來的蠟燭的像并不是十分的清晰，在確定像的位置時(shí)，未點(diǎn)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(xiàn)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(cè)蠟燭的虛像，當(dāng)然也就無法用未點(diǎn)燃的蠟燭替代鏡中的像。

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

經(jīng)過激烈的討論和思維的碰撞，就有學(xué)生創(chuàng)新性的提出解決方案：把平面鏡另一側(cè)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，透過這個(gè)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(zhǔn)確。

4 等效替代法在應(yīng)用過程中的兩個(gè)注意點(diǎn)

（1）注意等效替代法與其他科學(xué)方法的有機(jī)結(jié)合

物理教學(xué)中的科學(xué)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(zhuǎn)換法、圖像法等等。每一種科學(xué)方法的背后都蘊(yùn)含著不同的科學(xué)思維能力與科學(xué)觀察角度，科學(xué)方法在物理教學(xué)過程中的應(yīng)用不應(yīng)該是單一的、獨(dú)立的、與其他科學(xué)方法相割裂開來，也并不是為了應(yīng)用而應(yīng)用，所有的科學(xué)方法都應(yīng)該有機(jī)的結(jié)合，共同為物理教學(xué)的理念服務(wù)。

（2）注意等效替代法的滲透不能依賴于信息技術(shù)

信息技術(shù)教育的發(fā)展，一定程度上豐富了物理課堂的教學(xué)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(xiàn)象通過信息技術(shù)教育變得具體化、直觀化。比如：在講到《看不見的運(yùn)動》時(shí)，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(xué)生，使學(xué)生更易于理解與接受。信息技術(shù)可以用來演示物理現(xiàn)象的過程，但信息技術(shù)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(xué)過程中的滲透實(shí)際上就是思想和思維上的滲透，在物理課堂上呈現(xiàn)出的是一種探究過程，這種過程是用任何信息技術(shù)都無法代替的，否則只會本末倒置，重新回到重“結(jié)論”輕“過程”的舊模式中去。等效替代法如此，其他的科學(xué)方法也是如此。

綜上所述，等效替代法在物理教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)際上就是科學(xué)方法的滲透、思維的滲透，教師要通過這種方式，培養(yǎng)學(xué)生正確的學(xué)習(xí)方法與思維方式，提高自身學(xué)習(xí)的能力，獲得認(rèn)知的快樂，讓學(xué)生從運(yùn)用科學(xué)方法的感知中，不斷提高自身的科學(xué)素質(zhì)，為終身學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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