等效替代思想在初中物理實驗中的應(yīng)用探討

王大鵬 王劍秋

【摘要】在初中物理實驗教學(xué)中，探究未知物理規(guī)律時，因?qū)嶒炂鞑幕驅(qū)嶒灄l件的限制，無法直接觀察到實驗現(xiàn)象、揭示物理規(guī)律，為了使復(fù)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(yīng)用需要學(xué)生具有扎實的知識儲備和對物理規(guī)律的敏銳洞察力.掌握這種思想，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)思維，提高學(xué)生的核心素養(yǎng).

【關(guān)鍵詞】初中物理；等效替代思想；力學(xué)實驗

1 在力學(xué)實驗中的應(yīng)用

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

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

（2）實驗進(jìn)行時，逐步增加回形針數(shù)量，直至細(xì)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(zhì)量m、回形針勻速上升的___________和___________，則風(fēng)車做功的功率P＝___________（表達(dá)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(xì)的繩相比，測得風(fēng)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(fēng)車做功的功率.

（2）由W=mgh可知，要測細(xì)線對回形針做的功，需要用天平測出回形針的總質(zhì)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(fēng)車做功的功率：P=Wt=mght.

（3）線本身有質(zhì)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(jù)公式P=Wt，當(dāng)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(fēng)車在一定風(fēng)速下做功的功率，無法直接測量，分析發(fā)現(xiàn)，車在一定風(fēng)速下做功的功率近似等于細(xì)線對回形針做功的功率，這樣可粗略測定出風(fēng)車在一定風(fēng)速下做功的功率，運用了等效替代的思想.

2 在電學(xué)實驗中的應(yīng)用

例2 小馬設(shè)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(xù)調(diào)節(jié)電阻值大小，且能讀數(shù)的變阻器），其調(diào)節(jié)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(guān)和單刀開關(guān).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(diào)至最大；

②將單刀雙擲開關(guān)S撥至接點1，并閉合開關(guān)S1，調(diào)節(jié)___________（選填“R”或“R0”），使電流表的指針偏轉(zhuǎn)至恰當(dāng)位置，并標(biāo)記出電流表指針?biāo)幍奈恢茫?/p>

③然后將單刀雙擲開關(guān)S撥至接點2，調(diào)節(jié)___________（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(fù)上述過程，計算電阻箱R讀數(shù)的___________，此即為被測電阻Rx的阻值.

解析 ②將單刀雙擲開關(guān)S撥至接點1，并閉合開關(guān)S1時，R0與Rx串聯(lián)，因R0為可變電阻，所以調(diào)節(jié)R0可使電流表的指針偏轉(zhuǎn)至恰當(dāng)?shù)奈恢茫?biāo)記電流表指針?biāo)幍奈恢?

③將單刀雙擲開關(guān)S撥至接點2時，R0與R串聯(lián)，調(diào)節(jié)R，使得電流表指針在第②步的標(biāo)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(dāng)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(jié)果.

點評 兩次回路電流大小相同，相當(dāng)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(shù)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(xué)實驗中的應(yīng)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(jìn)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(xué)們通過交流提出用方格紙代替白紙進(jìn)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(guān)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(xué)生更加形象地掌握像與物之間的大小與位置關(guān)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(jié)語

總之，等效替代法在實驗教學(xué)中不僅能將物理現(xiàn)象或問題變得簡單而直觀，而且降低了學(xué)生學(xué)習(xí)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(xué)效率.在初中物理實驗過程中，若學(xué)生能恰當(dāng)運用等效替代法，對鍛煉學(xué)生科學(xué)思維能力，提升學(xué)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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