等效替代思想在初中物理实验中的应用探讨

王大鹏 王剑秋

【摘要】在初中物理实验教学中，探究未知物理规律时，因实验器材或实验条件的限制，无法直接观察到实验现象、揭示物理规律，为了使复杂的物理问题简单化、直观化，常常用一种与之相似或等效的器材或条件来代替的思想叫等效替代思想.等效替代思想的应用需要学生具有扎实的知识储备和对物理规律的敏锐洞察力.掌握这种思想，有助于培养学生的科学探究能力和科学思维，提高学生的核心素养.

【关键词】初中物理；等效替代思想；力学实验

1 在力学实验中的应用

例1 风车是利用风力做功的装置.小华制作了一架小风车，用如图1所示的实验装置，想粗测风车在一定风速下做功的功率.回答下列问题：

（1）该装置是通过测量细线对___________做功的功率来测定风车做功的功率.

（2）实验进行时，逐步增加回形针数量，直至细线恰好能够使回形针缓慢匀速上升为止.实验中需要测定的物理量是：回形针的总质量m、回形针匀速上升的___________和___________，则风车做功的功率P＝___________（表达式中的物理量用正确符号表示）.

（3）若选用了比较粗的绳来做实验，则与选用较细的绳相比，测得风车的做功率值将偏___________.

解析 （1）此实验是通过测量绳子对回形针做功的功率来粗测风车做功的功率.

（2）由W=mgh可知，要测细线对回形针做的功，需要用天平测出回形针的总质量m，用刻度尺测出回形针上升的高度h，用停表测出所用时间t，风车做功的功率：P=Wt=mght.

（3）线本身有质量，对回形针做功的同时要对线做功，选用较粗重的绳做实验，把回形针提升到相同高度，所用时间相对较长，根据公式P=Wt，当W相同时，所用时间越多，则测量出的功率会偏小.

点评 本实验需要测定风车在一定风速下做功的功率，无法直接测量，分析发现，车在一定风速下做功的功率近似等于细线对回形针做功的功率，这样可粗略测定出风车在一定风速下做功的功率，运用了等效替代的思想.

2 在电学实验中的应用

例2 小馬设计了如图2所示的电路，测阻值大约为5Ω电阻Rx的阻值.图中电源电压未知，R0是滑动变阻器，R是电阻箱（可连续调节电阻值大小，且能读数的变阻器），其调节范围0～999.9Ω，A是电流表（刻度有些模糊），S和S1分别是单刀双掷开关和单刀开关.完成下列实验步骤中的填空：

①先断开S、S1，将电阻箱R的阻值调至最大；

②将单刀双掷开关S拨至接点1，并闭合开关S1，调节___________（选填“R”或“R0”），使电流表的指针偏转至恰当位置，并标记出电流表指针所处的位置；

③然后将单刀双掷开关S拨至接点2，调节___________（选填“R”或“R0”），使电流表的指针在___________，并记下此时电阻箱R的阻值；

④多次重复上述过程，计算电阻箱R读数的___________，此即为被测电阻Rx的阻值.

解析 ②将单刀双掷开关S拨至接点1，并闭合开关S1时，R0与Rx串联，因R0为可变电阻，所以调节R0可使电流表的指针偏转至恰当的位置，并标记电流表指针所处的位置.

③将单刀双掷开关S拨至接点2时，R0与R串联，调节R，使得电流表指针在第②步的标记处，记下此时电阻箱R的阻值.这样做的目的是让两次实验中电流大小相同，相当于用一个和Rx大小相同的电阻R替换了Rx，即从电阻箱中“读出”了Rx的值.

④该实验是测量电阻的大小，为了减小误差，故必须多次测量取其平均值作为最终测量结果.

点评 两次回路电流大小相同，相当于用一个和Rx大小相同的电阻R替换了Rx，这种方法叫等效替代法.利用等效法测电阻，将不同电阻接入回路时电流表或电压表的示数需要相等，这样才做到了等效，这时可以用一个已知电阻“替代”出未知电阻的阻值.

3 在光学实验中的应用

例3 如图3所示是某实验小组“探究平面镜成像特点”的实验装置.

（1）选用玻璃板代替平面镜进行实验的目的是___________，实验时选取A、B两支相同的蜡烛是为了比较___________，运用的物理研究方法叫___________（选填“控制变量法”或“等效替代法”）.

（2）如图4所示，将一枚硬币放在竖直的平面镜前，硬币的像在a处；若将平面镜平移至如图5所示的位置时，则硬币成像在___________．

（A）a处.   （B）b处.

（C）c处.  （D）不确定.

（3）实验后，同学们通过交流提出用方格纸代替白纸进行实验更好，这样做的好处是：___________（合理即可）.

解析 （1）选用玻璃板代替平面镜，可以透过玻璃板看到后面的物体，便于确定像的位置.选取A、B两支相同的蜡烛是为了比较像与物的大小，这种研究方法叫等效替代法.

（2）平面镜所成的像与物关于镜面对称，所以若将平面镜平移至如图5所示的位置时，物体所成的像仍在a处，选（A）.

（3）用方格纸代替白纸可以直接比较像到平面镜的距离与物到平面镜的距离，而不需要用刻度尺.

点评 本实验通过等效替代的办法，让学生更加形象地掌握像与物之间的大小与位置关系，完美解决平面镜成像不能测量像的大小和像距的问题.

4 结语

总之，等效替代法在实验教学中不仅能将物理现象或问题变得简单而直观，而且降低了学生学习物理知识的难度，遇到类似的难题时就不会逃避，在解决一些物理问题时开拓了解题思路，提升了实验教学效率.在初中物理实验过程中，若学生能恰当运用等效替代法，对锻炼学生科学思维能力，提升学生对物理知识的理解力、分析判断力和逻辑推理力有很大的帮助.

参考文献：

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