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(guò)一些具體的案例，說(shuō)明用替代法能提高學(xué)生的解題技巧，避開(kāi)繁瑣的常規(guī)解法，尋找到簡(jiǎn)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(diǎn)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(shí)施，要求給予學(xué)生活動(dòng)的空間、思維的空間。解決這一問(wèn)題，在很大程度上還是在課堂上進(jìn)行，怎樣在有限的課時(shí)中解決此種矛盾，其中一個(gè)途徑就是讓學(xué)生多體會(huì)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(gè)個(gè)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(wèn)題，促進(jìn)其創(chuàng)造性思維能力的發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)由知識(shí)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(guò)相應(yīng)的物理轉(zhuǎn)換，用熟知的、簡(jiǎn)單的物理量、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、過(guò)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(guò)程，以間接獲取問(wèn)題的解決方法。它是將復(fù)雜的物理現(xiàn)象和過(guò)程轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)易的物理現(xiàn)象和過(guò)程來(lái)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(wèn)題化繁為簡(jiǎn)、化難為易，甚至變未知為已知，更重要的是通過(guò)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(huì)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(shí)際應(yīng)用，將此法滲透到對(duì)教學(xué)過(guò)程分析中，可以使我們對(duì)物理問(wèn)題的分析和解答變得簡(jiǎn)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(guò)計(jì)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(jiàn)的有：用理想模型替代真實(shí)體、用狀態(tài)替代過(guò)程、用過(guò)程替代過(guò)程等。

1.用理想模型替代真實(shí)體

用理想模型替代真實(shí)體，理想模型集中地突出了某一類(lèi)實(shí)際對(duì)象的主要特征，忽略其次要特征，使得事物的主要特點(diǎn)變得簡(jiǎn)單、清晰，研究事物現(xiàn)象的方法更簡(jiǎn)捷，對(duì)客觀事物本質(zhì)的認(rèn)識(shí)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(diǎn)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(chǎng)強(qiáng)。

本題如果直接取感應(yīng)電荷為研究對(duì)象來(lái)求解它在O處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)，由于不知感應(yīng)電荷的分布規(guī)律而無(wú)法求解?？紤]到殼內(nèi)電場(chǎng)是50e4818994c4209c1683ff27a7dfa1718c2d998bffdc6fa6b6d98373460cf8ab點(diǎn)電荷與感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)疊加，且靜電平衡時(shí)殼內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)為0，因此感應(yīng)電荷在殼內(nèi)任意點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)均與點(diǎn)電荷在這一點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)等值反向。所以感應(yīng)電荷在球殼內(nèi)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)大小可以用點(diǎn)電荷——理想模型在這一點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)大小來(lái)替代，即感應(yīng)電荷在球心處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)大小，E=■=■，方向水平向右。

在應(yīng)用等效思想方法的同時(shí)再引入物理模型，可在抓住主要的物理?xiàng)l件、過(guò)程和方法的基礎(chǔ)上，找出解決物理問(wèn)題的切入點(diǎn)，把實(shí)際問(wèn)題加以簡(jiǎn)化。又如有質(zhì)點(diǎn)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(shí)體方法。

2.用狀態(tài)替代過(guò)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(jiǎn)化，方便問(wèn)題的處理。

案例2：一個(gè)小球從距地面h=2　m高處由靜止開(kāi)始下落（不計(jì)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(wèn)小球靜止前通過(guò)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(duì)小球往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)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(guò)程量）使物體動(dòng)能的變化（狀態(tài)量）很容易求出，根據(jù)動(dòng)能定理，外力做功在數(shù)值上等于物體動(dòng)能的變化量，用物體動(dòng)能的變化量來(lái)替代外力所做的功，繼而求出物體所通過(guò)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(duì)較陌生的物理現(xiàn)象、物理狀態(tài)，回歸等效至學(xué)生感覺(jué)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(shí)也使得學(xué)生的知識(shí)遷移能力和對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力得到有效提高。

3.物理過(guò)程等效思維

在建立模型、處理物理過(guò)程中，依據(jù)題目情景，轉(zhuǎn)換角度思考問(wèn)題，可降低思維梯度，易于解答一些難度較高的問(wèn)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(duì)圓心角小于10°，現(xiàn)在圓弧的右側(cè)邊緣M處放一個(gè)小球A，使其由靜止下滑，則球由M至O的過(guò)程中所需時(shí)間t為多少？

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審題過(guò)程中要抓住圓弧光滑且圓心角小于10°這個(gè)條件，隱含條件是小球的運(yùn)動(dòng)可等效為單擺，即球在圓弧上做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，從而利用簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的周期性和對(duì)稱(chēng)性解決問(wèn)題。由單擺的周期公式T=2π■，可知球A的運(yùn)動(dòng)周期為T(mén)=2π■，所以tA0=■T=■■。

我們往往將不可直接測(cè)量的物理量用可直接測(cè)量的物理量來(lái)替代，從而使問(wèn)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(wèn)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(chēng)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(lái)替代相對(duì)生疏、復(fù)雜的思維形式。運(yùn)用它不但可以使問(wèn)題化繁為簡(jiǎn)、化難為易，甚至變未知為已知，更重要的是通過(guò)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(guò)程。

力的等效替代在效果相同、類(lèi)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(jiǎn)諧振動(dòng)周期的程序。

2.分解與合成替代

用平均速度將變速直線運(yùn)動(dòng)等效變換為勻速直線運(yùn)動(dòng)；合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)；平拋、斜拋曲線運(yùn)動(dòng)等效為兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的等效替代

圓周運(yùn)動(dòng)的等效最高、低點(diǎn)，單擺的等效擺長(zhǎng)。從另一個(gè)角度去分析，案例2中小球的運(yùn)動(dòng)過(guò)程也可等效為與地面碰撞無(wú)能量損失而受恒定的空氣阻力作用的過(guò)程。這樣用另一過(guò)程替代復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程使解題難度也得以降低。雖然看問(wèn)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(duì)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(jiǎn)化了繁雜的計(jì)算過(guò)程，也會(huì)消除如伏安法測(cè)電阻的系統(tǒng)誤差等等，對(duì)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(shí)際操作過(guò)程中也存在著一些不足之處，如由于對(duì)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(shí)忽略了相應(yīng)條件，憑已有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程替代處理導(dǎo)致出錯(cuò)。針對(duì)諸多此類(lèi)問(wèn)題，也同時(shí)對(duì)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(wèn)題，促進(jìn)其創(chuàng)造性思維能力的發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)由知識(shí)到能力的質(zhì)的飛躍?？茖W(xué)方法的教育更需要長(zhǎng)期的熏陶，在學(xué)習(xí)中有意識(shí)地訓(xùn)練，并要持之以恒，對(duì)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）