等效替代思想在初中物理實驗中的應用探討

王大鵬 王劍秋

【摘要】在初中物理實驗教學中，探究未知物理規律時，因實驗器材或實驗條件的限制，無法直接觀察到實驗現象、揭示物理規律，為了使復雜的物理問題簡單化、直觀化，常常用一種與之相似或等效的器材或條件來代替的思想叫等效替代思想.等效替代思想的應用需要學生具有扎實的知識儲備和對物理規律的敏銳洞察力.掌握這種思想，有助于培養學生的科學探究能力和科學思維，提高學生的核心素養.

【關鍵詞】初中物理；等效替代思想；力學實驗

1 在力學實驗中的應用

例1 風車是利用風力做功的裝置.小華制作了一架小風車，用如圖1所示的實驗裝置，想粗測風車在一定風速下做功的功率.回答下列問題：

（1）該裝置是通過測量細線對___________做功的功率來測定風車做功的功率.

（2）實驗進行時，逐步增加回形針數量，直至細線恰好能夠使回形針緩慢勻速上升為止.實驗中需要測定的物理量是：回形針的總質量m、回形針勻速上升的___________和___________，則風車做功的功率P＝___________（表達式中的物理量用正確符號表示）.

（3）若選用了比較粗的繩來做實驗，則與選用較細的繩相比，測得風車的做功率值將偏___________.

解析 （1）此實驗是通過測量繩子對回形針做功的功率來粗測風車做功的功率.

（2）由W=mgh可知，要測細線對回形針做的功，需要用天平測出回形針的總質量m，用刻度尺測出回形針上升的高度h，用停表測出所用時間t，風車做功的功率：P=Wt=mght.

（3）線本身有質量，對回形針做功的同時要對線做功，選用較粗重的繩做實驗，把回形針提升到相同高度，所用時間相對較長，根據公式P=Wt，當W相同時，所用時間越多，則測量出的功率會偏小.

點評 本實驗需要測定風車在一定風速下做功的功率，無法直接測量，分析發現，車在一定風速下做功的功率近似等于細線對回形針做功的功率，這樣可粗略測定出風車在一定風速下做功的功率，運用了等效替代的思想.

2 在電學實驗中的應用

例2 小馬設計了如圖2所示的電路，測阻值大約為5Ω電阻Rx的阻值.圖中電源電壓未知，R0是滑動變阻器，R是電阻箱（可連續調節電阻值大小，且能讀數的變阻器），其調節范圍0～999.9Ω，A是電流表（刻度有些模糊），S和S1分別是單刀雙擲開關和單刀開關.完成下列實驗步驟中的填空：

①先斷開S、S1，將電阻箱R的阻值調至最大；

②將單刀雙擲開關S撥至接點1，并閉合開關S1，調節___________（選填“R”或“R0”），使電流表的指針偏轉至恰當位置，并標記出電流表指針所處的位置；

③然后將單刀雙擲開關S撥至接點2，調節___________（選填“R”或“R0”），使電流表的指針在___________，并記下此時電阻箱R的阻值；

④多次重復上述過程，計算電阻箱R讀數的___________，此即為被測電阻Rx的阻值.

解析 ②將單刀雙擲開關S撥至接點1，并閉合開關S1時，R0與Rx串聯，因R0為可變電阻，所以調節R0可使電流表的指針偏轉至恰當的位置，并標記電流表指針所處的位置.

③將單刀雙擲開關S撥至接點2時，R0與R串聯，調節R，使得電流表指針在第②步的標記處，記下此時電阻箱R的阻值.這樣做的目的是讓兩次實驗中電流大小相同，相當于用一個和Rx大小相同的電阻R替換了Rx，即從電阻箱中“讀出”了Rx的值.

④該實驗是測量電阻的大小，為了減小誤差，故必須多次測量取其平均值作為最終測量結果.

點評 兩次回路電流大小相同，相當于用一個和Rx大小相同的電阻R替換了Rx，這種方法叫等效替代法.利用等效法測電阻，將不同電阻接入回路時電流表或電壓表的示數需要相等，這樣才做到了等效，這時可以用一個已知電阻“替代”出未知電阻的阻值.

3 在光學實驗中的應用

例3 如圖3所示是某實驗小組“探究平面鏡成像特點”的實驗裝置.

（1）選用玻璃板代替平面鏡進行實驗的目的是___________，實驗時選取A、B兩支相同的蠟燭是為了比較___________，運用的物理研究方法叫___________（選填“控制變量法”或“等效替代法”）.

（2）如圖4所示，將一枚硬幣放在豎直的平面鏡前，硬幣的像在a處；若將平面鏡平移至如圖5所示的位置時，則硬幣成像在___________．

（A）a處.?? （B）b處.

（C）c處.? （D）不確定.

（3）實驗后，同學們通過交流提出用方格紙代替白紙進行實驗更好，這樣做的好處是：___________（合理即可）.

解析 （1）選用玻璃板代替平面鏡，可以透過玻璃板看到后面的物體，便于確定像的位置.選取A、B兩支相同的蠟燭是為了比較像與物的大小，這種研究方法叫等效替代法.

（2）平面鏡所成的像與物關于鏡面對稱，所以若將平面鏡平移至如圖5所示的位置時，物體所成的像仍在a處，選（A）.

（3）用方格紙代替白紙可以直接比較像到平面鏡的距離與物到平面鏡的距離，而不需要用刻度尺.

點評 本實驗通過等效替代的辦法，讓學生更加形象地掌握像與物之間的大小與位置關系，完美解決平面鏡成像不能測量像的大小和像距的問題.

4 結語

總之，等效替代法在實驗教學中不僅能將物理現象或問題變得簡單而直觀，而且降低了學生學習物理知識的難度，遇到類似的難題時就不會逃避，在解決一些物理問題時開拓了解題思路，提升了實驗教學效率.在初中物理實驗過程中，若學生能恰當運用等效替代法，對鍛煉學生科學思維能力，提升學生對物理知識的理解力、分析判斷力和邏輯推理力有很大的幫助.

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