例談物理實(shí)驗(yàn)中的等效法

李玉香

等效替代法有助于將復(fù)雜的、不容易計(jì)算的問題化為簡(jiǎn)單的、容易得出結(jié)論的問題．它是一種研究問題的方法，更是一種實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)思想．物理實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常會(huì)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(chǎn)生形變和加速度，對(duì)彈簧或者橡皮筋而言，分力和合力的作用效果相同的標(biāo)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，學(xué)校實(shí)驗(yàn)室提供如圖１Ｇ甲所示規(guī)格完全相同的兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)，王華將橡皮條的一端固定于木板的A 點(diǎn)處，另一端則系兩根細(xì)線，第一次用兩個(gè)量程都為５N的彈簧測(cè)力計(jì)，通過細(xì)線互成角度地去拉橡皮條，使彈簧測(cè)力計(jì)與細(xì)線的結(jié)點(diǎn)移至O 點(diǎn)處，第二次僅用一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)去拉橡皮條．

（１）在“力的平行四邊形定則”的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中采用的科學(xué)方法是．

A．建立物理模型法B．理想實(shí)驗(yàn)法

C．控制變量法D．等效替代法

（２）假設(shè)第一次兩個(gè)量程都為５N 的彈簧測(cè)力計(jì)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并說(shuō)明理由．

能替代的前提是等效，等效是指不同的物理現(xiàn)象、模型、過程等在物理意義、作用效果或物理規(guī)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(cè)量時(shí)常用伏安法，但不論電流表內(nèi)接還是外接總有系統(tǒng)誤差，利用替代法測(cè)電阻時(shí)，電流或者電壓不變，則電阻完全等效，理論上不存在系統(tǒng)誤差．例２ 為了測(cè)某電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，實(shí)驗(yàn)室提供了如下器材：電阻箱R，定值電阻R０，兩個(gè)電流表A１、A２，開關(guān)S１，單刀雙擲開關(guān)S２，待測(cè)電源，導(dǎo)線若干．實(shí)驗(yàn)小組設(shè)計(jì)了如圖２Ｇ甲所示的電路圖．

本實(shí)驗(yàn)等效法設(shè)計(jì)巧妙，利用單刀雙擲開關(guān)，通過依次斷開S２、S２ 接通１，保證電流不變，應(yīng)用等效法測(cè)出A１ 的內(nèi)阻．通過S２ 接通２，利用安阻法結(jié)合圖像測(cè)出電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻．替代法測(cè)電阻從理論上完全可以等效，不存在系統(tǒng)誤差，但考慮到變阻箱的電阻變化的不連續(xù)性，因此本實(shí)驗(yàn)存在不完全等效的可能，即無(wú)論怎么調(diào)整電阻箱，都不能保證電流不變．

３ 半偏等效

半偏法測(cè)電壓表內(nèi)阻是利用總電壓不變時(shí)，在外電路中串入一個(gè)電阻箱，調(diào)整電阻箱的阻值，當(dāng)電壓表的讀數(shù)減半時(shí)，則待測(cè)電阻和電阻箱的阻值相等;半偏法測(cè)電流表內(nèi)阻是利用總電流不變時(shí)，在外電路中并入一個(gè)電阻箱，調(diào)整電阻箱的阻值，當(dāng)電流表的讀數(shù)減半時(shí)，則待測(cè)電阻和電阻箱的阻值相等．

例３ 學(xué)校電學(xué)實(shí)驗(yàn)興趣小組嘗試?yán)冒肫y(cè)量電壓表內(nèi)阻，學(xué)校實(shí)驗(yàn)室提供以下實(shí)驗(yàn)器材：

A．電源E（電動(dòng)勢(shì)為６V，內(nèi)阻不計(jì)）

B．滑動(dòng)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(cè)電壓表V（量程為３V，內(nèi)阻約為３０００Ω）

E．開關(guān)兩個(gè)，導(dǎo)線若干

本實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵在于斷開S２ 將變阻箱接入電路時(shí)，并聯(lián)部分的總電壓幾乎不變，因此要求滑動(dòng)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(yōu)缺點(diǎn)．在分析和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們要根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件判斷是否可以應(yīng)用等效思想，并合理選擇實(shí)驗(yàn)方法．