替代法在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用

摘　要：介紹了替代法在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用，初步談?wù)勌娲ù嬖诘谋匾?，通過一些具體的案例，說明用替代法能提高學(xué)生的解題技巧，避開繁瑣的常規(guī)解法，尋找到簡化解題的捷徑，以便于提高學(xué)生的綜合分析推理能力。也指出用替代法解題存在的優(yōu)缺點及在應(yīng)用中應(yīng)注意的條件。

關(guān)鍵詞：高中；物理教學(xué)；替代法

教學(xué)改革的實施，要求給予學(xué)生活動的空間、思維的空間。解決這一問題，在很大程度上還是在課堂上進(jìn)行，怎樣在有限的課時中解決此種矛盾，其中一個途徑就是讓學(xué)生多體會物理思想和提高物理思維能力。

學(xué)生怎樣提高物理思維能力，從看似復(fù)雜的物理情景中提煉出一個個物理模型，從物理現(xiàn)象中洞察物理的本質(zhì)，從而跨越思維障礙，高效解決物理問題，促進(jìn)其創(chuàng)造性思維能力的發(fā)展，以實現(xiàn)由知識到能力的質(zhì)的飛躍，是非常重要的。本文著重介紹高中常用的一種科學(xué)思維方法——替代法。

一、什么是替代法

替代法指的是通過相應(yīng)的物理轉(zhuǎn)換，用熟知的、簡單的物理量、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、過程等去替代那些陌生繁雜且難于求解的物理量、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)及過程，以間接獲取問題的解決方法。它是將復(fù)雜的物理現(xiàn)象和過程轉(zhuǎn)化為簡易的物理現(xiàn)象和過程來研究處理的科學(xué)思維方法。

二、替代法在高中物理教學(xué)中應(yīng)用的必要性

替代法在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用不但可以使問題化繁為簡、化難為易，甚至變未知為已知，更重要的是通過應(yīng)用替代法可在一定程度上培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法。掌握替代法及應(yīng)用，體會物理等效思維的內(nèi)涵，有助于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。初步形成科學(xué)的世界觀和方法論，為終身的學(xué)習(xí)、研究和發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

三、替代法在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用

在高中物理教學(xué)中，替代法是一種重要的科學(xué)思想方法。替代法在物理解題中起著重要作用，也有廣泛的實際應(yīng)用，將此法滲透到對教學(xué)過程分析中，可以使我們對物理問題的分析和解答變得簡捷。替代法可以分為等值替代和等效替代。

（一）等值替代

等值替代是根據(jù)相關(guān)物理量間具有數(shù)值上相等的關(guān)系，通過計算一些物理量的數(shù)值，從而間接求出另一些物理量數(shù)值的方法。具體常見的有：用理想模型替代真實體、用狀態(tài)替代過程、用過程替代過程等。

1.用理想模型替代真實體

用理想模型替代真實體，理想模型集中地突出了某一類實際對象的主要特征，忽略其次要特征，使得事物的主要特點變得簡單、清晰，研究事物現(xiàn)象的方法更簡捷，對客觀事物本質(zhì)的認(rèn)識更深刻、全面。

案例1：半徑為R的導(dǎo)體球殼不帶電，現(xiàn)將一帶電量為q的點電荷放在球殼內(nèi)距球心為■處，如右圖所示，求達(dá)到靜電平衡后，球殼上感應(yīng)電荷在球心處產(chǎn)生的場強。

本題如果直接取感應(yīng)電荷為研究對象來求解它在O處產(chǎn)生的場強，由于不知感應(yīng)電荷的分布規(guī)律而無法求解?？紤]到殼內(nèi)電場是50e4818994c4209c1683ff27a7dfa1718c2d998bffdc6fa6b6d98373460cf8ab點電荷與感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場疊加，且靜電平衡時殼內(nèi)場強為0，因此感應(yīng)電荷在殼內(nèi)任意點產(chǎn)生的電場的場強均與點電荷在這一點產(chǎn)生的電場的場強等值反向。所以感應(yīng)電荷在球殼內(nèi)產(chǎn)生的場強大小可以用點電荷——理想模型在這一點的場強大小來替代，即感應(yīng)電荷在球心處產(chǎn)生的場強大小，E=■=■，方向水平向右。

在應(yīng)用等效思想方法的同時再引入物理模型，可在抓住主要的物理條件、過程和方法的基礎(chǔ)上，找出解決物理問題的切入點，把實際問題加以簡化。又如有質(zhì)點概念、重心概念、求球體內(nèi)挖去部分形狀規(guī)則物體后受到的引力等均用到了理想模型替代真實體方法。

2.用狀態(tài)替代過程

在一些較為復(fù)雜物理現(xiàn)象、物理狀態(tài)中，利用物理量作用效果上的相似性進(jìn)行等效處理，可以將復(fù)雜多樣的物理現(xiàn)象、物理狀態(tài)得以簡化，方便問題的處理。

案例2：一個小球從距地面h=2　m高處由靜止開始下落（不計空氣阻力），假設(shè)每次與地面碰撞后都能彈起本次下落高度的3/4，問小球靜止前通過的總路程是多少？

這道題有兩種常用思路，一是用演繹歸納的方法，即用數(shù)學(xué)等比數(shù)列求和方式，對小球往復(fù)運動過程逐一求解，出總路程的變化規(guī)律，這種方法肯定很復(fù)雜；二是由于初態(tài)與末態(tài)清楚，因此外力做功（過程量）使物體動能的變化（狀態(tài)量）很容易求出，根據(jù)動能定理，外力做功在數(shù)值上等于物體動能的變化量，用物體動能的變化量來替代外力所做的功，繼而求出物體所通過的路程。

等效思維利用了物理現(xiàn)象、物理狀態(tài)的相似性，把一些復(fù)雜的相對較陌生的物理現(xiàn)象、物理狀態(tài)，回歸等效至學(xué)生感覺較為熟悉的物理狀態(tài)，很大層面上也降低了題目的難度，同時也使得學(xué)生的知識遷移能力和對知識的應(yīng)用能力得到有效提高。

3.物理過程等效思維

在建立模型、處理物理過程中，依據(jù)題目情景，轉(zhuǎn)換角度思考問題，可降低思維梯度，易于解答一些難度較高的問題。

案例3：如下圖所示，在水平地面上有一段光滑圓弧形槽，弧的半徑是R，所對圓心角小于10°，現(xiàn)在圓弧的右側(cè)邊緣M處放一個小球A，使其由靜止下滑，則球由M至O的過程中所需時間t為多少？

■

審題過程中要抓住圓弧光滑且圓心角小于10°這個條件，隱含條件是小球的運動可等效為單擺，即球在圓弧上做簡諧運動，從而利用簡諧運動的周期性和對稱性解決問題。由單擺的周期公式T=2π■，可知球A的運動周期為T=2π■，所以tA0=■T=■■。

我們往往將不可直接測量的物理量用可直接測量的物理量來替代，從而使問題迎刃而解。解題中利用等效物理模型不僅能起到事半功倍的效果，還能培養(yǎng)學(xué)生分析、概括問題和推理的能力。

（二）等效替代

如果物理量（物體）經(jīng)替代后產(chǎn)生的效果相同，則稱這種替代為等效替代。等效替代思維是用較熟悉的思維形式來替代相對生疏、復(fù)雜的思維形式。運用它不但可以使問題化繁為簡、化難為易，甚至變未知為已知，更重要的是通過等效思維應(yīng)用可在一定程度上培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法。

1.力的等效替代

合力與分力的等效替代關(guān)系，由于在作用效果上是相同的，依題目條件可以合理選用替代途徑。如求力的合成與分解過程。

力的等效替代在效果相同、類似模型相互替代常用到，如用等效重力法求單擺在不同條件下作簡諧振動周期的程序。

2.分解與合成替代

用平均速度將變速直線運動等效變換為勻速直線運動；合運動與分運動；平拋、斜拋曲線運動等效為兩個直線運動等。這些都是根據(jù)等效概念引入的，利用等效替代的思維方法讓學(xué)生理解所學(xué)物理概念。

3.運動的等效替代

圓周運動的等效最高、低點，單擺的等效擺長。從另一個角度去分析，案例2中小球的運動過程也可等效為與地面碰撞無能量損失而受恒定的空氣阻力作用的過程。這樣用另一過程替代復(fù)雜的運動過程使解題難度也得以降低。雖然看問題角度不同，但兩種較快解題的思維都是根據(jù)等效思想引入的。

四、替代法存在的不足之處

替代法的應(yīng)用使得學(xué)生對物理現(xiàn)象到本質(zhì)、物理規(guī)律理解更為透徹。用替代法簡化了繁雜的計算過程，也會消除如伏安法測電阻的系統(tǒng)誤差等等，對學(xué)生提高自主學(xué)習(xí)能力和科學(xué)思維能力的培養(yǎng)大有好處。當(dāng)然在實際操作過程中也存在著一些不足之處，如由于對定義本身理解不透，學(xué)生易把一些不能等效的物理模型進(jìn)行等效替代處理；也有一些在審題時忽略了相應(yīng)條件，憑已有經(jīng)驗進(jìn)行過程替代處理導(dǎo)致出錯。針對諸多此類問題，也同時對教師提出了更高要求，要正確辨析替代內(nèi)在關(guān)聯(lián)和可替代條件，以防弄巧成拙。

總之，替代法在高中物理教學(xué)中的普遍應(yīng)用有助于學(xué)生跨越思維障礙，提高物理思維能力、綜合分析推理能力，高效解決物理問題，促進(jìn)其創(chuàng)造性思維能力的發(fā)展，以實現(xiàn)由知識到能力的質(zhì)的飛躍。科學(xué)方法的教育更需要長期的熏陶，在學(xué)習(xí)中有意識地訓(xùn)練，并要持之以恒，對促進(jìn)素質(zhì)教育，貫策新課程理念，提高教育教學(xué)質(zhì)量都是大有裨益的。

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（作者單位　福建省大田一中）