话说物理学中的“等效替代”思考方法

高中物理中的等效替代法物理学是研究物质运动的最基本、最普遍的规律及物质的构成、物质间相互作用的一门科学。

物理学在长期的发展过程中，形成了一整套思维方法，这些方法不仅对物理学的发展起了重要的作用，而且对其他相关学科的发展以至社会思潮和社会生活也产生了一定的影响。

自然界物质的运动、构成及其相互作用是极其复杂的，但它们之间存在着各种各样的等同性，为了认识复杂的物理事物的规律，我们往往从事物的等同效果出发，将其转化为简单的、易于研究的物理事物，这种方法称为等效替代法。

按等同效果形式的不同，可将其分为模型等效替代、过程等效替代、作用等效替代和本质等效替代等。

一、模型等效替代在物理学研究问题的过程中，我们常常用简单的、易于研究的模型来代替复杂的物理原形，这种方法称为模型等效替代法。

它既包括对各种理想模型的具体应用，也包括利用各种实物模型来模仿、再现原形的某些特征、状态和本质。

这种方法并不是对客观存在的物理对象进行研究，而是借助于对模型的研究，达到认识原形的目的。

用模型来替代原形的方法是通过抽象、概括等思维过程形成的理想模型，如质点、重心、理想气体、点电荷等，都是在一定条件下、一定的精度范围内对实际客体的一种等效替代。

下面以重心为例说明这个问题。

学生对重力似乎很熟悉，以为很简单。

但仔细一想，不那么简单，物体有无数个微小的组成部分，实际上每个部分都要受到微小的重力，这些微小重力的作用点都各不相同。

若是这样来研究重力，复杂得无从下手。

物理学的研究方法，就是设想把无数个微小的重力用一个等效的重力来替代，重心就是这个等效重力的作用点。

当然，随着条件和要求精度的变化，这些模型也要随之变化，从而用更能反映实际客体属性的模型来替代。

模型等效替代的另一种形式是用实物模型来代替实际客体，通过对实物模型的研究来认识其原形的本质属性及其规律性。

在物理教学中，经常制成发电机模型、内燃机模型、电动机模型等来模拟实际发电机、内燃机、电动机的工作过程，从而使学生更好地理解其工作原理。

物理中的转换法和等效替代法
转换法和等效替代法是物理学中用于简化复杂系统分析的两种常见方法。

转换法是指将一个复杂的系统或物体转换成另一种形式，以便更容易地分析或理解。

例如，将一个复杂的电路转换成等效的简化电路，或者将一个复杂的力的作用体系转换成一个简化的力。

通过这种转换，我们可以更容易地应用已知的物理定律和原理来分析系统的行为。

等效替代法则是指用一个简化的模型或元件替代原系统中的复杂部分，以便更方便地进行分析。

例如，将一个复杂的电路中的一组元件替换成一个等效的单一元件，或者将一个复杂的物体替换成一个等效的简化模型。

这样做可以大大简化问题，并且使得分析更加直观和容易。

这两种方法都是为了简化问题的分析，使得我们可以更容易地应用已知的物理定律和原理来解决问题。

它们在物理学的各个领域都有广泛的应用，包括电路分析、力学、热力学等等。

通过使用转
换法和等效替代法，我们可以更加高效地理解和分析复杂的物理系统。

初中物理教学中等效替代法的应用 一、等效替代法概念及作用对于等效替代法来说，其作为一种科学的思维方法，指的是从事物间的等同效果出发，通过一定的替换来学习和研究物理现象、过程、规律的一种方法[2]。

在初中物理教学中，通过使用等效替代法可以将复杂的物理现象和过程转化为简单的、等效的问题，使得人们对物理现象更加容易熟悉和理解，便于对物理问题的处理和研究。

将等效替代法融入初中物理问题分析与解决过程中，既有利于疑难复杂的物理现象和问题的简单化，又对于学生运用知识的灵活性、解决问题技能的迁移性等具有积极作用。

在初中物理教学中，逐步培养和发展学生的等效替代思维，可以有效促进学生能够更加明确和深刻的理解物理实质，对于初中物理教学任务和目标的实现具有显著效果。

此外，应用等效替代法还有助于学生综合素质能力的提升以及科学思维方法的培养，对于后期学生各方面的学习奠定了坚实的基础。

二、等效替代法在初中物理教学中的实践应用等效替代法中心思想是保持效果相等，因此在初中物理教学中等效替代法的应用实例较多，下面列举几个应用实例进行说明，具体有： 1.在浮力教学中应用初中物理教学关于浮力教学中，以“曹冲称象”为典型案例（如图1所示），这其中就是利用了等效替代法原理。

曹冲之所以采用这种方法对大象进行称重，主要是由于当时称量工具量程不够，因此其利用了等效、化整为零的原理，通过控制住水的密度和船的吃水深度，使用石头替代大象，测量出石头的重量即为大象的体重。

图1 “曹冲称象”示意图 2.在平面镜成像中应用在解决平面镜成像问题中，采用等效替代方法[3]，将原先的平面使用玻璃板替代（如图2所示），既可获得与平面镜基本相近的成像效果，又可以透过玻璃板同时观察到A蜡烛的成像与B蜡烛。

通过平面镜成像实验，可以比较物和像的大小位置等，巧妙地解决了确定像的位置和大小的问题。

在平面镜成像中使用等效替代方法的巧妙之处在于利用两个完全相同的蜡烛，探究物与像的大小相同。

力的等效和替代-例题思考本节研究问题的方法主要是通过实验探究，利用等效替代的科学思维方法，并结合力的图示法来研究分力和合力的关系，让学生通过实验寻找合力与分力的关系．【例题】为了粗略测出排球击地时对地面作用力的大小，现在给你一个排球、体重计、水、一张白纸，请你利用等效替代的研究方法完成这个任务．思路：采用等效替代的方法，充分利用现有的仪器进行实验．答案：在地上铺一张纸，把球用水沾湿，然后用球击纸，在纸上留下一个圆形的湿迹，然后再将这张纸铺在台秤上，用力将球按在纸上，直至球与纸上的圆形湿迹完全重合，根据此时台秤的读数，就可以粗略地得知球击地的作用力．给你两个量程为5N 的轻弹簧秤，一个带有小钉子的平板，几张白纸，将橡皮筋结在小钉子上，白纸平铺在木板上，探究下面两个问题：1．用一个弹簧秤将橡皮筋拉到某点O ，用两个弹簧秤同时以不同的角度拉橡皮筋是否也能将橡皮筋拉到O 点？即两种方法的效果是否可以相同？2．用一个弹簧秤将橡皮筋拉到某点O 的作用力与用两个弹簧秤同时以不同的角度拉橡皮筋到O 点的作用力有什么关系？解析：1．用一个弹簧秤将橡皮筋拉到某点O ，用两个弹簧秤同时以不同的角度拉橡皮筋也能将橡皮筋拉到O 点．2．记下用一个弹簧秤拉到O 点时的力的大小和方向，并用力的图示法将这个力表示出来，并计为F ；记下用两个弹簧秤同时以不同的角度拉到O 点时两弹簧秤的示数及方向，并用力的图示法将这两个力表示出来，并计为F 1、F 2．3．多次重复步骤2，发现有一个共同的特点：F 是以F 1、F 2为邻边构成的平行四边形的对角线． 点评：试题从问题情景出发，让学生通过实验探究真切地认识到力是可以等效和替代的，同时让学生从感性上认识分力和合力，并能初步发现合力和分力的关系，为下一节的学习打下基础，也能够培养学生探究和发现问题的能力．该题也给教材“实践与拓展”栏目中问题的解决提供了思路．1．有两个大小均为5N 的力，试用实验的方法作出它们之间的夹角分别为 30、 45、90、 120、150时的合力，并讨论合力是否比分力大．解析：可以仿照例2的方法，通过实验发现合力不一定比每个分力大．2．两个力大小和方向不一定相同，你能总结出合力的取值范围吗？ 解析：通过实验发现合力的取值范围是：合力大于或等于两力之差而小于或等于两力之和，合力可在｜F 1－F 2｜到（F 1＋F 2）间取任意值．3．下面关于合力与分力的叙述正确的是（ ）①一个物体受到几个力的作用，同时也受到这几个力的合力的作用②几个力的合力总是大于它各个分力中最小的力③几个力的合力总是大于它的各个分力④合力和它相应的分力可以相互替代A ．①B ．①②C ．④D ．③④答案：C解析：同上题理由，合力的大小不一定比最大的分力大，也可能比最小的分力小，故②③不对，①的说法不符合等效替代思想．故正确的答案是C ．。

“等效替代法”在初中物理实验中的应用“等效替代法”是以效果相同为出发点，对所研究的对象提出一些方案和设想进行一种等效处理的方法。

这种方法具有启迪思考、扩大视野、触类旁通的作用，是物理学研究问题常用的方法，常用于将复杂的问题简单化。

例如：对物体进行受力分析时的“合力”、研究串、并联电路的“等效电阻”等。

在初中物理实验中，等效替代法常用于一些缺少实验器材的物理实验中。

没有实验器材测定的物理量，可以由已知的物理量和已有的实验器材用公式或定律通过计算、实验得到来替代它，替代的条件是效果必须相同。

一、测定固体和液体的密度“用天平和量筒测固体和液体的密度”是初中物理的重要学生实验，其原理是：用天平测出固体和液体的质量，用量筒测出固体和液体的体积V，根据密度的定义：ρ＝mV计算出固体和液体的密度。

天平和量筒是实验中重要的测量工具。

1、不用量筒，只用天平等器材测定液体的密度。

用天平可以测定液体的质量，没有量筒我们无法直接测定出液体的体积，只有用另一种已知密度的液体替代它，替代的条件是等效，即体积相等。

通常我们用同一个容器分别装满不同的液体来实现体积相等。

实验步骤：①取一个空瓶，用天平测得其质量为m0②将瓶中装满水，用天平测得其质量为m1③将瓶中的水倒干净，再装满待测液体，用天平测得其质量为m2则，待测液体的密度ρ液=m2-m0m1-m0 ·ρ水解法：由实验步骤可知水的质量m水=m1-m0液体的质量m液=m2-m0水的体积V水=m水ρ水=m1-m0ρ水=V液待测液体的密度ρ液=m液V液=m2-m0 m1-m0 ·ρ水2、不用量筒，只用天平等器材测定固体的密度。

要用体积相等的物体来替换，通常采用“排水法”。

（如下图所示）实验步骤：①将烧杯中盛满水，用天平测得水和烧杯的总质量为m0②将物体浸没在水中，用天平测得剩余的水和烧杯及物体的总质量为m1③将物体从水中取出后，用天平测得剩余的水和烧杯的总其质量为m2则，待测固体的密度ρ固=m1-m2m0-m2·ρ水解法：由实验步骤可知固体的质量m固=m1-m2固体排开水的质量m水=m0-m2排开水的体积V水=m水ρ水=m0-m2 ρ水=V固则，待测固体的密度ρ固=m固V固=m1-m2m0-m2·ρ水3、不用天平，只用量筒等器材测定固体的密度。

等效替代法科学方法物理
等效替代法是指在科学研究中，通过寻找替代的方法或者模型
来解决问题或者进行实验。

在物理学中，等效替代法可以被应用在
多个方面。

首先，在实验设计中，等效替代法可以用于寻找替代实验方法。

例如，如果某个实验需要大量资源或者时间，科学家们可以尝试寻
找等效的实验方法来达到相似的研究效果，但是成本更低或者更高效。

这样可以节约资源并且提高实验的可行性。

其次，在物理模型的建立中，等效替代法可以用于寻找替代的
物理模型来描述同样的现象。

例如，对于复杂的物理系统，有时候
可以使用简化的等效模型来描述其行为，从而使得问题的分析和求
解更加容易。

这种等效替代模型在物理学中是非常常见的。

另外，等效替代法也可以在数据分析和解释中发挥作用。

在物
理实验中获得的数据可能会受到各种误差和干扰，科学家们可以尝
试寻找等效的数据处理方法来减小误差或者提取更有用的信息，从
而得到更可靠的结果。

总的来说，等效替代法在物理学中是一种非常有用的科学方法，它可以帮助科学家们更好地设计实验、建立模型和分析数据，从而
推动物理学领域的研究和发展。

通过应用等效替代法，我们可以更
全面地理解物理现象，提高研究的效率和可靠性。

浅谈高中物理中的等效替代法福州高级中学林晓琦物理学是研究物质运动的最基本、最普遍的规律及物质的构成、物质间相互作用的一门科学。

物理学在长期的发展过程中，形成了一整套思维方法，这些方法不仅对物理学的发展起了重要的作用，而且对其他相关学科的发展以至社会思潮和社会生活也产生了一定的影响。

自然界物质的运动、构成及其相互作用是极其复杂的，但它们之间存在着各种各样的等同性，为了认识复杂的物理事物的规律，我们往往从事物的等同效果出发，将其转化为简单的、易于研究的物理事物，这种方法称为等效替代法。

按等同效果形式的不同，可将其分为模型等效替代、过程等效替代、作用等效替代和本质等效替代等。

一、模型等效替代在物理学研究问题的过程中，我们常常用简单的、易于研究的模型来代替复杂的物理原形，这种方法称为模型等效替代法。

它既包括对各种理想模型的具体应用，也包括利用各种实物模型来模仿、再现原形的某些特征、状态和本质。

这种方法并不是对客观存在的物理对象进行研究，而是借助于对模型的研究，达到认识原形的目的。

用模型来替代原形的方法是通过抽象、概括等思维过程形成的理想模型，如质点、重心、理想气体、点电荷等，都是在一定条件下、一定的精度范围内对实际客体的一种等效替代。

下面以重心为例说明这个问题。

学生对重力似乎很熟悉，以为很简单。

但仔细一想，不那么简单，物体有无数个微小的组成部分，实际上每个部分都要受到微小的重力，这些微小重力的作用点都各不相同。

若是这样来研究重力，复杂得无从下手。

物理学的研究方法，就是设想把无数个微小的重力用一个等效的重力来替代，重心就是这个等效重力的作用点。

当然，随着条件和要求精度的变化，这些模型也要随之变化，从而用更能反映实际客体属性的模型来替代。

模型等效替代的另一种形式是用实物模型来代替实际客体，通过对实物模型的研究来认识其原形的本质属性及其规律性。

在物理教学中，经常制成发电机模型、内燃机模型、电动机模型等来模拟实际发电机、内燃机、电动机的工作过程，从而使学生更好地理解其工作原理。

高中物理等效替代法例子
等效替代法是物理学的一种思维方式，以实际的物理系统中的某些元
素替代复杂的系统，从而简化分析过程。

常见的例子有：
1.利用重力力学等效替代法来分析物体在俯仰角或倾斜角上的运动：
在倾斜角为α时，可以把质点看作是处于水平面上，受到重力力的作用，求出重力力对质点的作用并与原始系统中重力力和轴力之和等效。

2.利用气动等效替代法求解流体力学问题：将流体问题中的三个力
（摩擦力、浮力和阻力）的总和替换成仅有摩擦力的单力系统（即有效力）。

3.利用电磁等效替代法来解决复杂的电磁学问题：对复杂的电磁场电
路仿真模型中的有效方向模型的参数求解，可以将波导管和绝缘体等复杂
的电磁模型替换为形状简单的电容、电感和导线的电磁模型，从而简化问
题的分析。

Җ㊀山东㊀霍风莉㊀㊀等效替代法是高中物理解题过程中常用的一种思维方式和解题方法．等效替代法是指在效果相同的前提下,将原本复杂㊁抽象㊁实际的物理过程转变为理想式的㊁简单的㊁易于理解的内容来进行处理,即等效过程,进而使得计算过程得以简化,可强化学生对于物理概念的理解．等效替代法主要可以分为物理模型等效㊁物理过程等效及作用效果等效三个方面,本文就此展开阐述,希望对读者有所帮助．１㊀物理模型等效物理模型等效 指的是利用易于研究㊁易于理解且简单的物理模型来替代原本复杂㊁抽象的物理问题,进而使得物理问题得以简化,同时加深学生对物理概念以及物理规律等知识内容的理解．在物理模型等效中,最为常见的就是将力学中的模型应用到电磁学之中,如人船模型㊁碰撞模型㊁子弹打木块模型㊁卫星模型等．事实上,在学习新的物理知识或者物理理论时,教师也常用物理模型进行讲解,将新问题与已学过的知识内容进行链接,即将新内容与熟知的物理模型进行等效处理．例１㊀如图１所示,其中的R １为定值电阻,R ２为可变电阻,电路中的电源电动势记为E ,r 是电源内阻,则下列说法正确的是()．图１A ．当R ２＝R １＋r 时,R ２有最大功率B ．当R １＝R ２＋r 时,R １有最大功率C ．当R ２最大时,电源的效率最大D ．当R ２＝０时,电源的输出功率最大当电源的内电阻保持不变时,电源的输出功率与外电阻间的关系并非简单地成正比或反比,即不是单调变化的,而是存在一定的极值:当外电阻与内电阻相等时,电源的输出功率最大．因此,在思考 当R ２的阻值为多少时,其消耗的功率最大 时,可以先对电路进行分析,由于除了R ２以外,还存在R １,因此R ２并不是电源的所有外电阻,在思考时,可以将电源与R １视为串联,进而将二者一起等效为一个新电源,如图２所示．此时R ２就相当于等效电源的全部外电阻．图２该等效电源的内阻记为R １＋r ,因此当R ２的阻值与等效电源的内阻相等时,R ２所消耗的功率达到最大值．由于R １是定值电阻,根据P ＝I ２R 可知,当R ２＝０时,电路的总电流最大,此时R １获得最大功率．当R ２最大时,外电阻最大,则路端电压最大,电源效率最大,当R １＋R ２＝r 时,电源的输出功率最大,所以选项A ㊁C 正确．２㊀物理过程等效所谓的 物理过程等效 是指利用一种或几种较为简单的物理过程来代替原有的复杂㊁烦琐的物理思维过程,进而充分简化题目思考过程,即找到一条 思维捷径 ．㊀㊀图３例２㊀如图３所示,在一个竖直放置的平面内摆上一个圆形轨道,将其半径记为R ,其最低点为O ．在最低点O 的附近放置一块小滑块,放置滑块的点记为P,滑块的质量记为m ．求质量为m 的滑块由静止状态运动至最低点O 时所需的最短时间t ．在半径为R 的圆形轨道中,该滑块所做的运动为较为复杂的变速曲线运动,因此利用牛顿运动定律㊁动量定理等方法进行求解都具有一定的难度,且计算过程较为烦琐,经过对质量为m 的滑块的受力情况及运动特征等进行分析,能够发现其运动轨迹与单摆一致．基于此,我们就可以将其等效为单摆的运动．如此,可以按照单摆模型进行运动分析,进而求出滑块由P 点运动至O 点的时间t ,即t ＝１４T ,而T ＝２πR g,代入即可得出,t ＝π２Rg ．３㊀作用效果等效等效替代法中的 作用效果等效 指的是利用一０４种相对简单的作用来代替原本复杂的两种或两种以上的物理运动,进而达到问题简化的效果．例３㊀现将一个圆形轨道竖直放置,已知该圆形轨道光滑且绝缘,其半径记为R ,现在其最低点A 放置一带电小球,带电小球质量为m ．整个空间中都存在匀强电场,该带电小球所受的电场力的大小为３３m g ,方向为水平向右．现在,在该小球上施加一个水平向右的初速度v ０,使得小球能够沿着该圆形轨道向上运动,假设小球在该初速度下能够恰好做完一个完整的圆周运动,求该初速度v ０．带电小球受到重力m g 和电场力E q ,将二者的合力视为等效重力．因此,可以认为该带电小球处于一个等效重力场之中．小球所受等效重力G ᶄ＝(m g )２＋(３３m g )２＝２３３m g ．等效重力加速度g ᶄ＝G ᶄm ＝２３３g ,与竖直方向的夹角为３０ʎ．㊀㊀图４如图４所示,B 点即为该等效重力场中此圆形轨道的最高点．而根据题意可知小球在初速度v ０下刚好进行一个完整的圆周运动．设小球运动到B 点时速度为v B ,则v B ＝gᶄR ．在等效重力场中,利用能量守恒定律可知１２m v ２０＝m g ᶄ(R ＋R c o s θ)＋１２m v ２B ,得出小球的初速度v ０＝２(３＋１)gR ．总而言之,在高中物理解题中,等效替代法作为重要的解题方法之一,通过用简单㊁直观的内容代替原本复杂㊁烦琐的物理内容和过程,能够有效地简化物理题目,达到化繁为简㊁化抽象为形象的目的．学生在解决物理问题时,要对物理问题及相关的物理模型进行不断的比较和分析,进行全面的思考和讨论,充分理解物理过程,在此基础上再利用等效替代法进行解题,使问题更加直观和易于解决,提升学生的解题能力．(作者单位:山东省邹平市黄山中学)Җ㊀安徽㊀孙自停㊀㊀培养学生的核心素养是近几年教学中的重要教学目标,广大教师都在为真正的素质教育贡献自己的智慧,一切教学活动都围绕着学生的全面发展而展开．同样,作为相对公平的人才选拔方式,高考也越来越重视学生能力的考查,意在通过试题最大限度地反映学生的核心素养．目前,高考物理试题中核心素养的考查方式主要依托于生活情境的设置,在学生解决实际问题的过程中检测他们的知识迁移和应用能力．本文将对高考物理试题中基于生活情境的核心素养的考查方式进行简单阐述,并对学生的高中物理知识复习方式提出建议,希望能对师生有所帮助．１㊀基于生活情境的核心素养考查方式必备知识㊁关键能力㊁学科素养㊁核心价值 是高考物理试题的主要考查内容,通过试题考查学生能力的主要方式便是创设生活化的情境,让学生从所给情境中提取有效的物理知识,然后结合所学解答问题,进而反映学生核心素养的培养效果．下面结合２０２０年高考物理全国卷Ⅰ的个别试题进行分析．１ １㊀把物理知识融入生活情境高考物理试题向综合性发展的一个重要表现是把物理知识融入生活情境中,主要考查学生的知识迁移能力．解答此类试题的关键是,学生能对所学物理概念和原理活学活用,掌握知识的本质,了解它们的适用范围,具备较强的信息提取能力．㊀㊀图１例１㊀如图１所示,一同学表演荡秋千．已知秋千的两根绳长均为１０m ,该同学和秋千踏板的总质量约为５０k g．绳的质量忽略不计．当该同学荡到秋千支架的正下方时,速度大小为８m s－１,此时每根绳子平均承受的拉力约为(㊀㊀)．A．２００N㊀㊀㊀B ．４００NC ．６００N㊀D．８００N１４。