转换法在初中物理中的应用

• 作 者: 许国良
• 出 处: 初中生世界·中考物理版
• 发表日期: 2013年2期

　　方法是人类从知识学习到能力发展的中间环节，是沟通知识和能力的桥梁.科学方法是科学问题解决的重要保证，既是科学家研究问题的方法，也是同学们学习物理的常用方法.“转换法”是其中最基本、最重要的思想方法之一.
　　所谓“转换法”，主要是指在保证效果相同的前提下，将一些平常不可见、不易见的现象转换成可见、易见的现象；将难以直接测量或测准的物理量转换为能够测量或测准的物理量，我们把这种将陌生、复杂的问题转换成熟悉、简单的问题的思想方法叫转换法.
　　一、“转化法”在声学中的应用
　　在做“声音是由于物体振动产生”的演示实验时，轻敲音叉，可听到悦耳的声音，靠近音叉，仔细观察，也可以观察到音叉在振动.但是，面对全班同学，由于距离的原因，大部分同学观察不清音叉的振动，因而误以为物体不振动也能够发出声音.因此，让全班同学看清楚音叉微小的振动是本实验目的达成的关键.我们把音叉放置于水面，如图1，即可看到振动的音叉溅起许多水花，通过看到溅起的水花说明音叉在振动，当水花不再产生时，即音叉也停止了振动，同时声音也停止产生.如图2，还可以在音叉旁挂一小球，当我们轻敲音叉时，小球也随之而跳动，由此可知音叉也在振动；如图3，也可以在鼓面放置一些小纸屑，当我们轻敲鼓面的时候，我们也可以看到小纸屑随之而振动，且有声音传出，说明声音是由物体的振动产生的.
　　本实验巧妙地将不易观察的音叉的微小振动转化为易观察的清晰的振动.用这些容易观察的现象把不容易观察的现象或抽象的事物转化过来，从而提高实验的可见度，降低了学习的难度，提高了学习的积极性和学习效率.
　　二、“转化法”在力学中的应用
　　“力”是一个抽象的概念，不少同学对此概念总感到难以理解.它看不见、摸不着，虽然可以直接感知，但若产生作用力的两个物体与人无关，就不好感知了.教材是通过力的作用效果来判断力的存在的，如使物体发生形变，或使物体的运动状态发生改变，两种情况中只要出现一个，就可以认为该力是存在的.因为摩擦力不易直接观察和测量，在研究“滑动摩擦力的大小跟哪些因素有关”时，摩擦力大小测量是实验成功之关键因素.如图4，教材并不是直接测量摩擦力的大小，而是利用二力平衡条件的关系，通过测量物体匀速运动时对弹簧测力计的拉力大小来反映摩擦力的大小，巧妙地把不易测量的摩擦力转换为容易测量的弹簧测力计的拉力，从而使正确得出“滑动摩擦力的大小跟哪些因素有关”的结论成为可能.这些其实都是转换法的体现.
　　液体压强也是非常抽象的物理量.教材在研究液体对容器底部或侧壁的压强时，通过观察容器上的橡皮膜向外突出的程度来直观反映液体压强大小.如图5，液体内部压强规律探究是通过U形管压强计来进行的，在橡皮膜上用手施压，让同学们了解液体内部压强的大小可通过U形管两侧有色水位高度差大小来显示.U形管两侧有色水位高度差越大，金属盒承受的压强越大，同样也说明金属盒在液体中承受的压强越大.这样，通过实验器材将抽象的、微观的、不易观察的现象显示出来，帮助同学们形成鲜明的表象，降低学习的难度.
　　在“研究动能的大小与哪些因素有关”的实验中，物体动能大小是无法直接“看出”的，也无法用仪器测量，本实验设计首先要解决的就是怎样“看出”动能的大小.怎么办呢？教材利用能量与做功的关系，把物体动能的大小转换为它能够对外做功的大小反映出来.如图6，在同一平面上，木块受到的摩擦力相等，当木块被撞得越远，木块克服摩擦力做功越多，小车具有的能量即动能就越大.通过转换法的运用，把不可度量的动能，转换成可测量的距离，这就大大降低了理解的难度，使同学们更专注地通过观察木块被撞的距离远近来判断小车动能的大小，从而探究出实验结论.
　　三、“转化法”在热学中的应用
　　在学习蒸发现象的有关知识时，对于酒精、水等无色透明的气态物质，其蒸发过程无法用肉眼直接观察到，只能通过其效果或气味来感知.我们把水的蒸发转换为其他可见的现象，如湿衣服中的水蒸发后，其效果是水不见了，而衣服变干；酒精蒸发后，能在空气中闻到酒精的味道.这样，同学们就能真切地感受到液体蒸发了.
　　在“探究物质的吸热本领与哪些因素有关”时，如图7，同学们首先猜想可能与物质种类、物质的质量和升高的温度有关.接着，在制订计划与设计实验时应用控制变量法让其中两个量保持不变，改变一个量，看吸热多少？但这里遇到了一个困难，就是物体吸热的多少既看不出来，也没有什么仪器来测量.这时，若能巧妙地将研究的物理量进行转换，把隐性的物理量转换成显性物理量，那么复杂问题就会化难为易，迎刃而解.我们可以用两个相同的“酒精灯”对其加热，通过比较加热时间的长短来比较吸热的多少.
　　四、“转化法”在电磁学中的应用
　　电流是电荷的定向移动形成的.但是电荷本身无法直接看见，不像“水流”“车流”“人流”那么直观.由于导体有电流通过时会产生一定的效应（化学效应、热效应、磁效应），因此，教材通过小灯泡发光来判断电流的存在与否.同样，在“探究导体的电阻跟哪些因素有关”时，因为在电压一定的条件下，电阻发生变化时，会导致电路中的电流发生变化，从而引起小灯泡的亮度变化.所以，通过小灯泡亮度的比较来比较电阻的大小，是将不可见的电阻转换为直观的亮度来反映.
　　在“探究电流通过导体时，产生的热量与那些因素有关”的实验中，如图8，电流通过导体时产生的热量无法直接观测和比较，教材将比较导体产生的热量多少转换为比较煤油吸热多少，观察同质量煤油温度变化情况，比较同质量煤油吸热多少，从而判断哪个导体产生的热量多.实验后，再思考问题：“该实验能否不用煤油而改用其他方式来观察电阻通电后的发热情况？”这样，可促使转换的思维方法得到进一步训练，提高实验探究的能力.
　　在学习电磁知识时，将不可见的磁场转换为铁屑的分布，通过受磁场作用力的铁屑的分布情况来反映磁场的分布情形，从而建立磁场的理想模型——磁感线.在探究电磁铁的磁性强弱时，将电磁铁的磁性强弱转换为电磁铁对大头针的吸引的数目，数目越大，磁性越强.还有，对很抽象的电流的磁场，通过通电导线旁小磁针的偏转来说明电流周围存在着磁场、磁场的方向与电流的方向有关等. 　　五、“转化法”在解题中的应用
　　1.转换研究对象
　　在实际问题解决过程中，首先要选择合适的研究对象，我们一般选取与所求量有直接关系的物体为研究对象，但有一些问题，这样思考下去困难重重，如果活用转换法，将研究对象合理转换，问题就会得到简捷解答.
　　例1 木块A漂浮在容器中的水面上，它上面放一石块B（如图9），此时，木块A排开水的体积为V1，若将石块B从木块A上取下，放入水中静止时，A和B排开水的体积为V2，已知V1-V2=2dm3，木块A体积为4dm3，石块B的密度为3×103kg/m3，g=10N/kg，则容器底对石块B的支持力为（ ）.
　　A.10N B.20N C.30N D.40N
　　解析 按常规方法，应分别选木块A和石块B为研究对象，分析它们的受力情况及力的变化，这样，无疑是较复杂的，若能把A和B视为整体，巧以整体为研究对象，即可速解.
　　（1）当石块B在木块A上时，整体处于漂浮状态，有：
　　F浮1=GA+GB，
　　即ρ水gV1=GA+GB. ①
　　（2）当B放在水中静止时，研究对象A呈漂浮状态，研究对象B沉于容器底部，有：
　　F浮A=GA；F浮B=GB-F支，
　　F浮2=F浮A+F浮B=GA+GB-F支，
　　即ρ水gV2=GA+GB-F支. ②
　　由①②两式相减，
　　得：F支=ρ水g（V1-V2）=20N.
　　故选B.
　　2.转换思维角度
　　不论在物理实验，还是在综合应用中，转换法都有独特妙用.同学们要克服思维定势，培养灵活的思维模式，利用题目中的对应关系、隐含的条件，在不同的物理量之间运用转换思想进行自由切换，为解决问题提供新思维、新方法、新途径.
　　例2 把两个标有“6V 3W”和“6V 4.5W”字样的小灯泡串联后，接在8V电源上，在ts内电流通过它们所做的功分别为W1、W2，然后把它们并联起来接在4V电源上，在相同时间ts内电流通过它们所做的功分别为W1′、W2′，则（ ）.
　　A.W1>W1′，W2　　B.W1>W1′，W2>W2′
　　C.W1W2′
　　D.W1　　解析 按常规方法，须先分别算出两灯的电阻，然后分别算出两灯串、并联时各自消耗的电功率，才能比较两种情况下两灯各自电功的大小关系.这样，显得费时又易出错.本题给出灯的U额和P额，依据P额
　　=U额2/R可知，“6V 3W”灯的电阻R1大于“6V 4.5W”灯的电阻R2，由此我们不妨转换一下思维角度，因题中只要比较电功的大小关系，由R1>R2，串联时有U1>4V，U2<4V；并联时接在4V电源上，有U1′=U2′
　　=4V.故U1>U1′，U2　　=UIt=U2t/R，不难得出：W1>W1′，W2