高中物理實驗中的轉(zhuǎn)換放大思想的應(yīng)用

摘 要：物理學思想方法是科學思維的提煉和升華，是培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)需要關(guān)注的一個重要問題，本文就高中物理實驗中涉及的轉(zhuǎn)換放大思想進行討論.

關(guān)鍵詞：物理實驗;物理思想;轉(zhuǎn)換放大;微小量

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）09-0034-03

作者簡介：趙艷紅（1974-），女，黑龍江安達人，碩士，中學高級教師，研究方向：中學物理學科教學.

《普通高中物理課程標準（2017年版）》指出，在物理教學中要注重體現(xiàn)物理學科本質(zhì)，培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)，要從物理觀念、科學思維、科學探究等方面提煉學科育人價值.物理學中的思想方法是科學思維的升華和提煉，是物理學的精華，在物理教學中加強和重視物理思想方法的滲透非常必要.它不但可以提高學生的物理思維能力，也可以進一步促進學生物理觀念的形成，培養(yǎng)創(chuàng)新能力.在物理實驗中，遇到微小的不易觀察和測量的物理量，通常都是將不易觀察的微小量，轉(zhuǎn)換為容易觀察的顯著量，再根據(jù)顯著量與微小量之間的關(guān)系得出微小量，這就是物理學中常用的轉(zhuǎn)換放大的思想方法.下面我們就來看一下，在高中物理實驗中，有哪些轉(zhuǎn)換放大思想的應(yīng)用.

1 測量工具中的轉(zhuǎn)換放大思想的應(yīng)用

1.1 螺旋測微器

螺旋測微器的測量長度可以準確到0.01mm，再加上可以估讀一位，讀數(shù)能到0.001mm，故又叫千分尺.螺旋測微器如何能測出這么小的長度呢？ 它的原理就是把一個螺距的距離轉(zhuǎn)換放大為周長進行測量.

如圖1所示，螺桿在螺母中旋轉(zhuǎn)一周，螺桿便沿著旋轉(zhuǎn)軸線方向前進或后退一個螺距的距離，即軸向的一個螺距對應(yīng)一個周長.因此，在圓周上標出對應(yīng)的等分刻度，測量沿軸線方向移動的微小距離，就能用圓周上的讀數(shù)表示出來.將螺距（螺旋旋進一圈的推進距離）通過螺母上的圓周放大，放大倍數(shù)即為η=πDd（d是螺距，D是與螺母連在一起的分度套筒的直徑）.

螺旋測微器的精密螺紋的螺距是0.5mm，套筒上的可動刻度有50個等分刻度，可動刻度旋轉(zhuǎn)一周，測微螺桿可前進或后退0.5mm，因此旋轉(zhuǎn)一個小分度，相當于測微螺桿前進或后退0.5mm/50=0.01mm.所以用螺旋測微器測量長度時，首先要讀出主尺固定刻度數(shù)，即活動套管的前沿在固定套管的位置所對應(yīng)的數(shù)值（注意0.5mm的短線是否露出）.然后再讀出可動刻度數(shù)，即從固定套管上的橫線所對活動套管上的分格數(shù)，讀出不到一圈（<0.5mm）的小數(shù)，二者相加就是最終測量值.

1.2 游標卡尺

游標卡尺是一種測量長度、內(nèi)外徑、深度的量具.游標卡尺由主尺和附在主尺上能滑動的游標兩部分構(gòu)成.主尺一般以毫米為單位，而游標上則有10、20或50個分格，根據(jù)分格的不同，游標卡尺可分為10分度游標卡尺、20分度游標卡尺、50分度游標卡尺.分別對應(yīng)的最小讀數(shù)為0.1mm、0.05mm、0.02mm.游標卡尺對于小量的測量則是利用這種補齊的原理，就把1Nmm（N為游標尺上的格數(shù)）的測量長度轉(zhuǎn)換放大為游標尺上對應(yīng)的N-1N從而便于觀察和測量.游標為10分度的長為9mm，20分度的長為19mm，50分度的長為49mm.以50分度的游標卡尺為例，游標尺上的50分度的長為49mm，1個格的長度是4950mm，當測量長度是0.02mm即150mm時，第1個格被補齊為1mm，則第1格后的第1條刻線和上面的對應(yīng)刻線對齊.即當?shù)趎條刻線和主尺上的某條刻線對齊時，游標尺上的測量長度為n×150mm.

1.3 打點計時器

我們在高中物理實驗中使用的測時工具打點計時器，也是一種轉(zhuǎn)換放大的測量工具.

如圖3所示的電磁打點計時器，當線圈通以50Hz的交流電時，線圈產(chǎn)生的交變磁場在永久磁鐵的磁場作用下，振動片將上下振動，每隔0.02秒振片前的振針會在紙帶上打一個點.當物體運動的時候，打點計時器在下落物體后面所連接的紙帶上打下相應(yīng)的點，當物體運動比較快的時候，在短暫的時間內(nèi)走過的距離較大，用這樣的方式把0.02秒這個短暫的時間和紙帶上兩點之間的較大的距離相對應(yīng).這樣就把物體運動的時間轉(zhuǎn)換放大為若干個0.02秒的距離間隔.所以，利用打點計時器研究如自由落體運動等運動較快、時間較短的運動問題時非常方便，解決了短時的距離放大測量問題.

2 物理實驗設(shè)計中轉(zhuǎn)換放大思想的應(yīng)用

2.1 油膜法估測分子大小

由于分子非常小，肉眼都無法看到，所以很難測量.我們想到的辦法是，把油酸滴在水面上，油酸就會很快在水面上散開，由于油酸分子一部分親水，一部分不親水，如果面積足夠大，最終會形成一層直立的單分子油膜層，如圖4所示.根據(jù)d=VS，我們就把分子直徑的測量轉(zhuǎn)換放大為測體積和面積.通常1滴油酸在水面上所形成的單分子油膜層的面積非常大.在實驗室的水槽里想做成這個實驗，所用油酸的體積需要非常小.如何才能測量并取得這么微小體積的油酸，需要再次放大.首先根據(jù)實驗要求用易揮發(fā)且易溶于水不溶于油酸的酒精對油酸體積進行放大，即配置1∶1000的油酸酒精混合溶液.把1滴這樣的混合溶液滴到水面上，酒精溶于水，油酸則在表面上形成一層單分子油膜.這個油膜的面積與實驗室的水槽面積相當，能夠很好地完成實驗，測出分子直徑.其次，是1滴油酸體積的放大測量.1滴油酸酒精混合溶液的體積很難測量，我們則可以考慮去測n滴油酸酒精溶液的體積，我們可以把n滴混合溶液滴入量筒，用總體積除以n即得到一滴的體積，當然實際上我們也可以這樣做，取1mL的混合溶液，再去看能滴多少滴，再去求1滴的體積.設(shè)1mL能滴N滴，這樣我們就最終得到滴到水面上的1滴混合溶液中油酸的體積為V=1mLN·11000 .

2.2 卡文迪什扭秤實驗

萬有引力定律發(fā)現(xiàn)之后，引力常數(shù)一直是個未知數(shù).從原理上來講，根據(jù)萬有引力表達式F=GMmr2，只要知道兩個物體的質(zhì)量及它們之間的距離，再測出兩個物體間的引力，就可以得到引力常量的數(shù)值.但直到一百多年后才由卡文迪什測出，其原因就在于一般的兩個物體間的萬有引力非常小，很難測出.那么，卡文迪什是如何解決這個問題的呢？卡文迪什利用了光杠桿鏡尺法，通過兩次轉(zhuǎn)換放大，把微小的萬有引力測出.

如圖5所示，是卡文迪什測量引力時使用的扭秤裝置.扭秤的主要部分是一個輕而堅固的T形架，倒掛在一根金屬絲的下端，T形架水平衡梁的兩端各裝一個質(zhì)量相等的小球.實驗時，把兩個質(zhì)量相等的大球放在如圖5所示的對稱位置，它們跟小球距離相等.當受到兩大球的引力的作用，T形架發(fā)生扭轉(zhuǎn).扭秤裝置是對微小引力的第一次放大，通過T型架增大力臂，使M、m間微小的引力產(chǎn)生較大的力矩，使金屬絲產(chǎn)生一定角度的扭轉(zhuǎn)，這次機械放大把微小引力的測量轉(zhuǎn)換為金屬絲扭轉(zhuǎn)角度的測量.

T形架豎直部分裝有一小塊平面鏡，當金屬絲發(fā)生扭轉(zhuǎn)時帶動平面鏡發(fā)生轉(zhuǎn)動.一束光線射到平面鏡上，當鏡面偏轉(zhuǎn)θ角時反射光偏轉(zhuǎn)2θ角，光點在刻度尺上移動的距離為x=Dtan2θ（平面鏡到刻度尺的距離D）.增大平面鏡到刻度尺的距離D，光點在刻度尺上移動的距離就會相應(yīng)增大，從而測出扭轉(zhuǎn)角度θ.這是第二次放大，是將金屬絲的微小扭轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換放大為刻度尺上光點讀數(shù)的變化，從而測出微小的扭轉(zhuǎn)力矩，進一步根據(jù)轉(zhuǎn)動平衡，即可算出微小的引力，最終測出了引力常量.

觀察桌面等堅硬物體的微小彈性形變也是采用這種轉(zhuǎn)換放大的方法.如圖6所示，在一張桌子上放兩個平面鏡M和N，讓一束光線依次被這兩面鏡子反射，最后射到一個刻度尺上，形成一個光點，只要用力按壓桌面，鏡子就要向箭頭所指的方向傾斜.只要兩面鏡子之間的距離較大且尺足夠長，光點就會在刻度尺上有明顯的移動，從而把桌面的形變顯示出來.

2.3 光的波長的測量

可見光的波長非常短，大約在10-7米左右，無法直接測量.如圖7所示，利用光的干涉現(xiàn)象，當單色光經(jīng)過雙縫后，被分成兩束相干光，在空間疊加，在雙縫后面的屏上就產(chǎn)生了明暗相間的干涉條紋，且條紋間距相等.設(shè)圖6中兩個明條紋（或暗條紋）的間距均為Δx，有Δx=Ldλ.

利用這一現(xiàn)象，就把測光的波長轉(zhuǎn)換放大為測條紋間距.由關(guān)系式可見，光屏與光源距離L越遠，則條紋間距越大.由于實驗室中光屏與雙縫之間的距離不能很大，條紋間距相對也較小，此時為了增大測量精度我們通常采用測微目鏡對n個條紋間隔的總距離進行放大測量，再求出1個間隔的距離.

3 結(jié)束語

轉(zhuǎn)換放大的思想在解決物理量的測量上是一種非常重要的方法.對微小量的觀察測量，要注意尋找待測量與其他物理量的關(guān)聯(lián)，轉(zhuǎn)換研究問題的角度，按照一定的物理規(guī)律將難以測量的微小物理量或物理量的微小變化量進行有效的放大，靈活地解決問題.通常微小量的測量需要不止一次地轉(zhuǎn)換放大.在教學上我們要注意挖掘和引導學生學習和掌握這一方法，從而培養(yǎng)學生的思維能力和創(chuàng)新能力.

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（收稿日期：2020-12-17）