例談物理實驗中的等效法

李玉香

等效替代法有助于將復雜的、不容易計算的問題化為簡單的、容易得出結論的問題．它是一種研究問題的方法，更是一種實驗方法和實驗思想．物理實驗中，經常會用到“等效替代法”，如形變等效、替代等效、半偏等效等．

１ 形變等效

分力與合力等效指作用效果等效，力的作用效果包括使物體產生形變和加速度，對彈簧或者橡皮筋而言，分力和合力的作用效果相同的標志是使物體的形變量相同．

例１ 在“力的平行四邊形定則”的驗證實驗中，學校實驗室提供如圖１Ｇ甲所示規格完全相同的兩個彈簧測力計，王華將橡皮條的一端固定于木板的A 點處，另一端則系兩根細線，第一次用兩個量程都為５N的彈簧測力計，通過細線互成角度地去拉橡皮條，使彈簧測力計與細線的結點移至O 點處，第二次僅用一個彈簧測力計去拉橡皮條．

（１）在“力的平行四邊形定則”的驗證實驗中采用的科學方法是．

A．建立物理模型法B．理想實驗法

C．控制變量法D．等效替代法

（２）假設第一次兩個量程都為５N 的彈簧測力計的方向互相垂直，如圖１Ｇ甲所示，那么，王華（填“不能”或“能”）完成“力的平行四邊形定則”的驗證實驗，并說明理由．

能替代的前提是等效，等效是指不同的物理現象、模型、過程等在物理意義、作用效果或物理規律方面是相同的．彈簧或者橡皮筋形變量相同非常直觀，因此等效非常好控制．

２ 替代等效

電阻測量時常用伏安法，但不論電流表內接還是外接總有系統誤差，利用替代法測電阻時，電流或者電壓不變，則電阻完全等效，理論上不存在系統誤差．例２ 為了測某電源的電動勢和內阻，實驗室提供了如下器材：電阻箱R，定值電阻R０，兩個電流表A１、A２，開關S１，單刀雙擲開關S２，待測電源，導線若干．實驗小組設計了如圖２Ｇ甲所示的電路圖．

本實驗等效法設計巧妙，利用單刀雙擲開關，通過依次斷開S２、S２ 接通１，保證電流不變，應用等效法測出A１ 的內阻．通過S２ 接通２，利用安阻法結合圖像測出電源的電動勢和內電阻．替代法測電阻從理論上完全可以等效，不存在系統誤差，但考慮到變阻箱的電阻變化的不連續性，因此本實驗存在不完全等效的可能，即無論怎么調整電阻箱，都不能保證電流不變．

３ 半偏等效

半偏法測電壓表內阻是利用總電壓不變時，在外電路中串入一個電阻箱，調整電阻箱的阻值，當電壓表的讀數減半時，則待測電阻和電阻箱的阻值相等;半偏法測電流表內阻是利用總電流不變時，在外電路中并入一個電阻箱，調整電阻箱的阻值，當電流表的讀數減半時，則待測電阻和電阻箱的阻值相等．

例３ 學校電學實驗興趣小組嘗試利用半偏法測量電壓表內阻，學校實驗室提供以下實驗器材：

A．電源E（電動勢為６V，內阻不計）

B．滑動變阻器R２（最大阻值為１０Ω，額定電流為２A）

C．電阻箱R１（最大阻值為９９９９.９Ω）

D．待測電壓表V（量程為３V，內阻約為３０００Ω）

E．開關兩個，導線若干

本實驗成敗的關鍵在于斷開S２ 將變阻箱接入電路時，并聯部分的總電壓幾乎不變，因此要求滑動變阻器的阻值較小．

從以上分析可以看出，形變等效、替代等效和半偏等效各有優缺點．在分析和設計實驗時，我們要根據實驗條件判斷是否可以應用等效思想，并合理選擇實驗方法．