初中物理“等效替代法”的探索与应用

程建清

摘 要：等效替代法是初中物理教学中最常用的科学方法之一，在实际的教学过程中，正确探索并掌握“等效替代法”处理物理问题的步骤，并把它应用到物理课堂教学中，让学生感受到探究的乐趣，培养学生的创新思维能力。

关键词：等效替代法；体现体验；探索规律；迁移应用

等效替代法是指在保证某种效果（特性和关系）相同的前提下，将实际的、复杂的、抽象的、难以理解的物理问题和物理过程转化为等效的、简单的、易于研究的物理问题和物理过程的科学方法。等效替代法是从效果等同的角度研究物理现象和物理过程的方法，不同情况下等同的效果具有不同的物理内容 。

等效替代法是初中物理课堂中较常用的一种科学方法，它能有效的解决初中物理教材中有关概念教学和规律教学的难题，促进物理课堂中的“结论”教学向“过程”教学的转变，有利于培养学生的探究精神和创新思维能力，提高学生的科学素养。

1 探寻“等效替代法”在初中物理教材中的内容

依据《义务教育物理课程标准（2011年版）》，遵循现行的由上海科学技术出版社出版的初中物理教材中的内容，汇总出了教材中有关涉及到等效替代法的知识点，罗列于表1中。

2 等效替代法处理物理问题的一般过程

物理规律一般都具有隐蔽性、抽象性，使教材中隐性的物理规律用显性的科学方法表现出来，让学生看得清、看得懂，这是等效替代法最主要的功能之一，也是初中物理教师所要具备的教学技能。

例1：探究电路中电阻的串、并联

分析：如图1、图2所示，两个串联着的电阻R1、R2，其中R1=10Ω、R2=20Ω，测出此时R1、R2两端的电压为U，电路中通过的电流为I；用一个R=30Ω电阻来替代电阻R1、R2，控制其两端电压也为U，发现通过电路中的电流也为I。也就是说：电阻R在电路中所产生的效果与电阻R1、R2在电路中共同作用所产生的效果相同。如果一个电阻R代替两个串联着的电阻R1、R2接入电路后，电路的状态不变，即R两端的电压和通过它的电流都与原来的相同，R就叫做这两个串联电阻R1、R2的总电阻。

电阻R与R1、R2之间的关系推导如下：

由欧姆定律可知

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为例，可以归纳总结出等效替代法处理物理问题的一般过程：

（1）寻找原事物中的核心特征

任何一个可以运用等效替代法来处理的物理现象，都有其核心特征。核心特征是指事物的最本质、最主要的特性，是分析物理现象的关键所在，核心特征有助于我们解剖物理现象。例1中的核心特征就是保持电路中的U、I不变。

（2）寻找不改变核心特征的可替代事物

用另一个使物理问题更简单化的事物来替代原先的事物，是等效替代法的关键所在。例1中电阻R与电阻R1、R2分别在电路中产生相同的作用效果，其核心特征相同，即U与I的数值一样，这样我们就可以说电阻R可以替代原电路中的R1、R2。

（3）寻找替代事物与被替代事物之间的规律

两个互相可以替代的事物之间的规律，是一种纽带，具有普遍性，可以把不同的两个事物紧密的联系起来，最终形成物理学中的定律与结论。比如例1中R=R1+R2。

（4）规律的迁移与应用

例1中用等效替代法解决了电阻的串联，同理，其科学方法也可以迁移到电阻的并联中，最终可以得出有关并联电路中电阻的关系：=+ 。

3 等效替代法在初中物理教学中的应用

（1）在物理规律教学中体会等效替代法

物理规律是指在不同的物理现象之间，在发生物理变化的过程中存在一定条件下必然发生的规律，物理规律反映了不同事物之间的本质联系。物理规律的教学是初中物理教学中重要的组成部分。等效替代法可以让物理规律用最简单、最直观的方式呈现给学生，提高教学效率，起到事半功倍的效果。

例2：重为8N的某物体，其体积为1000cm3，将其放入水中，试判断该物体静止时的最终状态？

解析：判断一个物体的最终状态，主要是通过分析物体的受力情况。很明显，把一个物体放入水中，必然会受到重力G与浮力F浮两个力的作用。如果G>F浮，物体下沉；如果G=F浮，物体悬浮或漂浮；如果G< F浮，物体最终将漂浮在水面。本题的关键在于如何解决物体所受到浮力的大小。我们可以假设该物体最终静止时是完全浸没在水中，根据阿基米德原理：浸在液体中的物体，所受到的浮力等于物体排开液体的重。所以，该物体排開的水重可以等效为该物体所受到的浮力，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，因为G< F浮，所以原先我们的假设是错误的，该物体最终静止时，其状态是漂浮在水面上。

阿基米德原理从概念上理解是抽象的，通过本题中浮力的计算，让学生体会到了等效替代法的内涵，即可以用直观的排开的水重来替代抽象的、看不见摸不着的浮力大小，使问题简单化、明了化，有取于学生理解吸收。

（2）在物理实验教学中体验等效替代法

物理是建立在实验基础上的学科，而实验中又蕴含着大量的科学方法。物理实验是教师有目的、有计划地利用仪器、设备，在人为控制的条件下使物理现象反复再现，从而进行观测研究的科学实践活动 。新课标的初中物理教材中安排了大量的演示实验、科学探究、实践活动、迷你实验等等。把科学方法与实验紧密的结合在一起，能够让教师更好的去“教”，学生也可以更好的去“学”，重要的是通过实验，能够让学生体验到科学方法，体验到探索自然科学的奥妙所在，体验到学习物理的乐趣。

而等效替代法是一种最常用的、十分有效的用来探究物理规律的科学方法之一。

例3.自制一个水气压计，并用它来观察气压的变化

分析：首先需要明确测量的对象是大气压，而大气压在每平方米上的压力大约是10 N，如果要自制一个装置，直接把大气压的值测量出来，将是十分的困难，要解决这个问题，我们可以采用等效替代法。

从托里拆利实验中我们可以得到启发：装满水银的1米长的玻璃管倒插在水银槽中，稳定后，玻璃管中水银的高度只有76cm，说明玻璃管中水银受到内外的压强相等，而此时玻璃管的上方是真空的，所以，76cm高的水银所产生的压强就等于大气压。托里拆利实验渗透了一个很好的科学方法，就是等效替代法。在排除了其他因素后（水银上方是真空的，不存在气压）水银趋于稳定后，用水银所产生的压强来替代大气压强。

实验器材：普通的硬质塑料瓶、小水槽、固定支架、小刻度尺

实验步骤：

①在小水槽中装入适量的水，再在硬质塑料瓶中装入四分之三的水，用手盖住瓶口，再将它倒置过来，放入小水槽中，使瓶口没入水面下，然后将手移开。

②保持硬质塑料瓶的位置不变，用固定支架把硬质塑料瓶固定好。

③在硬质塑料瓶上贴上小刻度尺。

（3）在创新思维过程中体现等效替代法

现代的物理教学过程也是培养学生创新思维的过程。科学方法在物理教学中的渗透，打破了原有的重“结论”轻“过程”的教学方式，充分的发挥学生创造性的创新思维能力，给学生以更自由的想象空间，受教师科学方法潜移默化的影响，其创新的思维方式又会不知不觉得体现出科学方法。

例4.在利用光的反射探究平面镜成像中，将玻璃板垂直架在纸上，在玻璃板一个侧面立一支点燃的蜡烛，透过玻璃板观察其另一侧面后的蜡烛的像；将光屏放到像的位置，不透过玻璃板，直接观察光屏上有无像；将相同的未点燃的蜡烛放在像的位置上，观察像与蜡烛的大小关系；用直尺量出蜡烛和像到玻璃板的距离。

分析：这是教材中探究平面镜成像特点的一个实验。其中将相同的未点燃的蜡烛放在像的位置上，其科学方法就是等效替代法，用实际未点燃的蜡烛来替代玻璃板中看到的蜡烛的虚像，据此可以探究平面镜的成像特点。所以，如何准确的找到玻璃板中蜡烛的像，是探究平面镜成像特点的关键，也是这节探究课的成败所在。

问题：如何能更准确的定位出玻璃板中蜡烛的像呢？

首先讨论，由于玻璃板的另一侧没有水银层，其呈现出来的蜡烛的像并不是十分的清晰，在确定像的位置时，未点燃的蜡烛往往不容易与玻璃板中蜡烛的像做到完全重合。

其次讨论，平面镜中所呈现出来的像十分清晰，但其另一面有水银层，无法透过平面镜看到另一侧蜡烛的虚像，当然也就无法用未点燃的蜡烛替代镜中的像。

就有学生提出：能不能把玻璃板与平面镜的这两种特性结合起来，既能透过玻璃板看到清晰的蜡烛的像，又能准确无误的找到虚像的位置？

经过激烈的讨论和思维的碰撞，就有学生创新性的提出解决方案：把平面镜另一侧的水银层每隔2厘米刮去一部分，使之看起来象交通路口的斑马线，如图3所示。结果发现，透过这个自制的半平面镜半玻璃板的装置，不但可以清晰的看到蜡烛的虚像，找到像的位置也十分的方便准确。

4 等效替代法在应用过程中的两个注意点

（1）注意等效替代法与其他科学方法的有机结合

物理教学中的科学方法除了等效替代法，还有控制变量法、理想模型法、推理法、比例法、类比法、转换法、图像法等等。每一种科学方法的背后都蕴含着不同的科学思维能力与科学观察角度，科学方法在物理教学过程中的应用不应该是单一的、独立的、与其他科学方法相割裂开来，也并不是为了应用而应用，所有的科学方法都应该有机的结合，共同为物理教学的理念服务。

（2）注意等效替代法的渗透不能依赖于信息技术

信息技术教育的发展，一定程度上丰富了物理课堂的教学方式，增大了物理课堂的信息量，可以让抽象的物理知识和物理现象通过信息技术教育变得具体化、直观化。比如：在讲到《看不见的运动》时，对于分子的动理论可以通过动画、影片介绍等方式来展示给学生，使学生更易于理解与接受。信息技术可以用来演示物理现象的过程，但信息技术不能用来替代思维过程与探究过程。等效替代法在物理教学过程中的渗透实际上就是思想和思维上的渗透，在物理课堂上呈现出的是一种探究过程，这种过程是用任何信息技术都无法代替的，否则只会本末倒置，重新回到重“结论”轻“过程”的旧模式中去。等效替代法如此，其他的科学方法也是如此。

综上所述，等效替代法在物理教学中的应用实际上就是科学方法的渗透、思维的渗透，教师要通过这种方式，培养学生正确的学习方法与思维方式，提高自身学习的能力，获得认知的快乐，让学生从运用科学方法的感知中，不断提高自身的科学素质，为终身学习打下坚实的基础。

参考文献：

[1]张宪魁，秦晓文.物理科学方法教育理论与实践[M].北京：北京师范大学出版社，2015：72-75.

[2]閻金铎，郭玉英.中学物理教学概论[M].北京：北京师范大学出版社，2016：107-138.