替代法在高中物理教学中的应用

摘　要：介绍了替代法在高中物理教学中的应用，初步谈谈替代法存在的必要性，通过一些具体的案例，说明用替代法能提高学生的解题技巧，避开繁琐的常规解法，寻找到简化解题的捷径，以便于提高学生的综合分析推理能力。也指出用替代法解题存在的优缺点及在应用中应注意的条件。

关键词：高中；物理教学；替代法

教学改革的实施，要求给予学生活动的空间、思维的空间。解决这一问题，在很大程度上还是在课堂上进行，怎样在有限的课时中解决此种矛盾，其中一个途径就是让学生多体会物理思想和提高物理思维能力。

学生怎样提高物理思维能力，从看似复杂的物理情景中提炼出一个个物理模型，从物理现象中洞察物理的本质，从而跨越思维障碍，高效解决物理问题，促进其创造性思维能力的发展，以实现由知识到能力的质的飞跃，是非常重要的。本文着重介绍高中常用的一种科学思维方法——替代法。

一、什么是替代法

替代法指的是通过相应的物理转换，用熟知的、简单的物理量、状态、结构、过程等去替代那些陌生繁杂且难于求解的物理量、状态、结构及过程，以间接获取问题的解决方法。它是将复杂的物理现象和过程转化为简易的物理现象和过程来研究处理的科学思维方法。

二、替代法在高中物理教学中应用的必要性

替代法在高中物理教学中的应用不但可以使问题化繁为简、化难为易，甚至变未知为已知，更重要的是通过应用替代法可在一定程度上培养学生的科学思维方法。掌握替代法及应用，体会物理等效思维的内涵，有助于提高学生的科学素养。初步形成科学的世界观和方法论，为终身的学习、研究和发展奠定良好基础。

三、替代法在高中物理教学中的应用

在高中物理教学中，替代法是一种重要的科学思想方法。替代法在物理解题中起着重要作用，也有广泛的实际应用，将此法渗透到对教学过程分析中，可以使我们对物理问题的分析和解答变得简捷。替代法可以分为等值替代和等效替代。

（一）等值替代

等值替代是根据相关物理量间具有数值上相等的关系，通过计算一些物理量的数值，从而间接求出另一些物理量数值的方法。具体常见的有：用理想模型替代真实体、用状态替代过程、用过程替代过程等。

1.用理想模型替代真实体

用理想模型替代真实体，理想模型集中地突出了某一类实际对象的主要特征，忽略其次要特征，使得事物的主要特点变得简单、清晰，研究事物现象的方法更简捷，对客观事物本质的认识更深刻、全面。

案例1：半径为R的导体球壳不带电，现将一带电量为q的点电荷放在球壳内距球心为■处，如右图所示，求达到静电平衡后，球壳上感应电荷在球心处产生的场强。

本题如果直接取感应电荷为研究对象来求解它在O处产生的场强，由于不知感应电荷的分布规律而无法求解。考虑到壳内电场是50e4818994c4209c1683ff27a7dfa1718c2d998bffdc6fa6b6d98373460cf8ab点电荷与感应电荷产生的电场叠加，且静电平衡时壳内场强为0，因此感应电荷在壳内任意点产生的电场的场强均与点电荷在这一点产生的电场的场强等值反向。所以感应电荷在球壳内产生的场强大小可以用点电荷——理想模型在这一点的场强大小来替代，即感应电荷在球心处产生的场强大小，E=■=■，方向水平向右。

在应用等效思想方法的同时再引入物理模型，可在抓住主要的物理条件、过程和方法的基础上，找出解决物理问题的切入点，把实际问题加以简化。又如有质点概念、重心概念、求球体内挖去部分形状规则物体后受到的引力等均用到了理想模型替代真实体方法。

2.用状态替代过程

在一些较为复杂物理现象、物理状态中，利用物理量作用效果上的相似性进行等效处理，可以将复杂多样的物理现象、物理状态得以简化，方便问题的处理。

案例2：一个小球从距地面h=2　m高处由静止开始下落（不计空气阻力），假设每次与地面碰撞后都能弹起本次下落高度的3/4，问小球静止前通过的总路程是多少？

这道题有两种常用思路，一是用演绎归纳的方法，即用数学等比数列求和方式，对小球往复运动过程逐一求解，出总路程的变化规律，这种方法肯定很复杂；二是由于初态与末态清楚，因此外力做功（过程量）使物体动能的变化（状态量）很容易求出，根据动能定理，外力做功在数值上等于物体动能的变化量，用物体动能的变化量来替代外力所做的功，继而求出物体所通过的路程。

等效思维利用了物理现象、物理状态的相似性，把一些复杂的相对较陌生的物理现象、物理状态，回归等效至学生感觉较为熟悉的物理状态，很大层面上也降低了题目的难度，同时也使得学生的知识迁移能力和对知识的应用能力得到有效提高。

3.物理过程等效思维

在建立模型、处理物理过程中，依据题目情景，转换角度思考问题，可降低思维梯度，易于解答一些难度较高的问题。

案例3：如下图所示，在水平地面上有一段光滑圆弧形槽，弧的半径是R，所对圆心角小于10°，现在圆弧的右侧边缘M处放一个小球A，使其由静止下滑，则球由M至O的过程中所需时间t为多少？

■

审题过程中要抓住圆弧光滑且圆心角小于10°这个条件，隐含条件是小球的运动可等效为单摆，即球在圆弧上做简谐运动，从而利用简谐运动的周期性和对称性解决问题。由单摆的周期公式T=2π■，可知球A的运动周期为T=2π■，所以tA0=■T=■■。

我们往往将不可直接测量的物理量用可直接测量的物理量来替代，从而使问题迎刃而解。解题中利用等效物理模型不仅能起到事半功倍的效果，还能培养学生分析、概括问题和推理的能力。

（二）等效替代

如果物理量（物体）经替代后产生的效果相同，则称这种替代为等效替代。等效替代思维是用较熟悉的思维形式来替代相对生疏、复杂的思维形式。运用它不但可以使问题化繁为简、化难为易，甚至变未知为已知，更重要的是通过等效思维应用可在一定程度上培养学生的科学思维方法。

1.力的等效替代

合力与分力的等效替代关系，由于在作用效果上是相同的，依题目条件可以合理选用替代途径。如求力的合成与分解过程。

力的等效替代在效果相同、类似模型相互替代常用到，如用等效重力法求单摆在不同条件下作简谐振动周期的程序。

2.分解与合成替代

用平均速度将变速直线运动等效变换为匀速直线运动；合运动与分运动；平抛、斜抛曲线运动等效为两个直线运动等。这些都是根据等效概念引入的，利用等效替代的思维方法让学生理解所学物理概念。

3.运动的等效替代

圆周运动的等效最高、低点，单摆的等效摆长。从另一个角度去分析，案例2中小球的运动过程也可等效为与地面碰撞无能量损失而受恒定的空气阻力作用的过程。这样用另一过程替代复杂的运动过程使解题难度也得以降低。虽然看问题角度不同，但两种较快解题的思维都是根据等效思想引入的。

四、替代法存在的不足之处

替代法的应用使得学生对物理现象到本质、物理规律理解更为透彻。用替代法简化了繁杂的计算过程，也会消除如伏安法测电阻的系统误差等等，对学生提高自主学习能力和科学思维能力的培养大有好处。当然在实际操作过程中也存在着一些不足之处，如由于对定义本身理解不透，学生易把一些不能等效的物理模型进行等效替代处理；也有一些在审题时忽略了相应条件，凭已有经验进行过程替代处理导致出错。针对诸多此类问题，也同时对教师提出了更高要求，要正确辨析替代内在关联和可替代条件，以防弄巧成拙。

总之，替代法在高中物理教学中的普遍应用有助于学生跨越思维障碍，提高物理思维能力、综合分析推理能力，高效解决物理问题，促进其创造性思维能力的发展，以实现由知识到能力的质的飞跃。科学方法的教育更需要长期的熏陶，在学习中有意识地训练，并要持之以恒，对促进素质教育，贯策新课程理念，提高教育教学质量都是大有裨益的。

参考文献：

［1］赵长青.大学物理教学中如何培养等效思维.物理通报，2010（3）.

［2］赵宁.等效思维方法在初中物理教学中的应用.中学物理，2000（1）.

［3］阎金铎.中学物理教材教法.北京师范大学出版社，1984.

［4］戴立军.方法导引与解题技巧.湖南师范大学出版社，1999.

［5］张奠宙.新题在线.广西教育出版社，2002.

（作者单位　福建省大田一中）