轉(zhuǎn)換法在初中物理中的應(yīng)用

許國(guó)良

方法是人類從知識(shí)學(xué)習(xí)到能力發(fā)展的中間環(huán)節(jié)，是溝通知識(shí)和能力的橋梁.科學(xué)方法是科學(xué)問(wèn)題解決的重要保證，既是科學(xué)家研究問(wèn)題的方法，也是同學(xué)們學(xué)習(xí)物理的常用方法.“轉(zhuǎn)換法”是其中最基本、最重要的思想方法之一.

所謂“轉(zhuǎn)換法”，主要是指在保證效果相同的前提下，將一些平常不可見(jiàn)、不易見(jiàn)的現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)、易見(jiàn)的現(xiàn)象；將難以直接測(cè)量或測(cè)準(zhǔn)的物理量轉(zhuǎn)換為能夠測(cè)量或測(cè)準(zhǔn)的物理量，我們把這種將陌生、復(fù)雜的問(wèn)題轉(zhuǎn)換成熟悉、簡(jiǎn)單的問(wèn)題的思想方法叫轉(zhuǎn)換法.

一、“轉(zhuǎn)化法”在聲學(xué)中的應(yīng)用

在做“聲音是由于物體振動(dòng)產(chǎn)生”的演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，輕敲音叉，可聽(tīng)到悅耳的聲音，靠近音叉，仔細(xì)觀察，也可以觀察到音叉在振動(dòng).但是，面對(duì)全班同學(xué)，由于距離的原因，大部分同學(xué)觀察不清音叉的振動(dòng)，因而誤以為物體不振動(dòng)也能夠發(fā)出聲音.因此，讓全班同學(xué)看清楚音叉微小的振動(dòng)是本實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪_(dá)成的關(guān)鍵.我們把音叉放置于水面，如圖1，即可看到振動(dòng)的音叉濺起許多水花，通過(guò)看到濺起的水花說(shuō)明音叉在振動(dòng)，當(dāng)水花不再產(chǎn)生時(shí)，即音叉也停止了振動(dòng)，同時(shí)聲音也停止產(chǎn)生.如圖2，還可以在音叉旁掛一小球，當(dāng)我們輕敲音叉時(shí)，小球也隨之而跳動(dòng)，由此可知音叉也在振動(dòng)；如圖3，也可以在鼓面放置一些小紙屑，當(dāng)我們輕敲鼓面的時(shí)候，我們也可以看到小紙屑隨之而振動(dòng)，且有聲音傳出，說(shuō)明聲音是由物體的振動(dòng)產(chǎn)生的.

本實(shí)驗(yàn)巧妙地將不易觀察的音叉的微小振動(dòng)轉(zhuǎn)化為易觀察的清晰的振動(dòng).用這些容易觀察的現(xiàn)象把不容易觀察的現(xiàn)象或抽象的事物轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)，從而提高實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)度，降低了學(xué)習(xí)的難度，提高了學(xué)習(xí)的積極性和學(xué)習(xí)效率.

二、“轉(zhuǎn)化法”在力學(xué)中的應(yīng)用

“力”是一個(gè)抽象的概念，不少同學(xué)對(duì)此概念總感到難以理解.它看不見(jiàn)、摸不著，雖然可以直接感知，但若產(chǎn)生作用力的兩個(gè)物體與人無(wú)關(guān)，就不好感知了.教材是通過(guò)力的作用效果來(lái)判斷力的存在的，如使物體發(fā)生形變，或使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，兩種情況中只要出現(xiàn)一個(gè)，就可以認(rèn)為該力是存在的.因?yàn)槟Σ亮Σ灰字苯佑^察和測(cè)量，在研究“滑動(dòng)摩擦力的大小跟哪些因素有關(guān)”時(shí)，摩擦力大小測(cè)量是實(shí)驗(yàn)成功之關(guān)鍵因素.如圖4，教材并不是直接測(cè)量摩擦力的大小，而是利用二力平衡條件的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量物體勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)的拉力大小來(lái)反映摩擦力的大小，巧妙地把不易測(cè)量的摩擦力轉(zhuǎn)換為容易測(cè)量的彈簧測(cè)力計(jì)的拉力，從而使正確得出“滑動(dòng)摩擦力的大小跟哪些因素有關(guān)”的結(jié)論成為可能.這些其實(shí)都是轉(zhuǎn)換法的體現(xiàn).

液體壓強(qiáng)也是非常抽象的物理量.教材在研究液體對(duì)容器底部或側(cè)壁的壓強(qiáng)時(shí)，通過(guò)觀察容器上的橡皮膜向外突出的程度來(lái)直觀反映液體壓強(qiáng)大小.如圖5，液體內(nèi)部壓強(qiáng)規(guī)律探究是通過(guò)U形管壓強(qiáng)計(jì)來(lái)進(jìn)行的，在橡皮膜上用手施壓，讓同學(xué)們了解液體內(nèi)部壓強(qiáng)的大小可通過(guò)U形管兩側(cè)有色水位高度差大小來(lái)顯示.U形管兩側(cè)有色水位高度差越大，金屬盒承受的壓強(qiáng)越大，同樣也說(shuō)明金屬盒在液體中承受的壓強(qiáng)越大.這樣，通過(guò)實(shí)驗(yàn)器材將抽象的、微觀的、不易觀察的現(xiàn)象顯示出來(lái)，幫助同學(xué)們形成鮮明的表象，降低學(xué)習(xí)的難度.

在“研究動(dòng)能的大小與哪些因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)中，物體動(dòng)能大小是無(wú)法直接“看出”的，也無(wú)法用儀器測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)首先要解決的就是怎樣“看出”動(dòng)能的大小.怎么辦呢？教材利用能量與做功的關(guān)系，把物體動(dòng)能的大小轉(zhuǎn)換為它能夠?qū)ν庾龉Φ拇笮》从吵鰜?lái).如圖6，在同一平面上，木塊受到的摩擦力相等，當(dāng)木塊被撞得越遠(yuǎn)，木塊克服摩擦力做功越多，小車具有的能量即動(dòng)能就越大.通過(guò)轉(zhuǎn)換法的運(yùn)用，把不可度量的動(dòng)能，轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的距離，這就大大降低了理解的難度，使同學(xué)們更專注地通過(guò)觀察木塊被撞的距離遠(yuǎn)近來(lái)判斷小車動(dòng)能的大小，從而探究出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

三、“轉(zhuǎn)化法”在熱學(xué)中的應(yīng)用

在學(xué)習(xí)蒸發(fā)現(xiàn)象的有關(guān)知識(shí)時(shí)，對(duì)于酒精、水等無(wú)色透明的氣態(tài)物質(zhì)，其蒸發(fā)過(guò)程無(wú)法用肉眼直接觀察到，只能通過(guò)其效果或氣味來(lái)感知.我們把水的蒸發(fā)轉(zhuǎn)換為其他可見(jiàn)的現(xiàn)象，如濕衣服中的水蒸發(fā)后，其效果是水不見(jiàn)了，而衣服變干；酒精蒸發(fā)后，能在空氣中聞到酒精的味道.這樣，同學(xué)們就能真切地感受到液體蒸發(fā)了.

在“探究物質(zhì)的吸熱本領(lǐng)與哪些因素有關(guān)”時(shí)，如圖7，同學(xué)們首先猜想可能與物質(zhì)種類、物質(zhì)的質(zhì)量和升高的溫度有關(guān).接著，在制訂計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)用控制變量法讓其中兩個(gè)量保持不變，改變一個(gè)量，看吸熱多少？但這里遇到了一個(gè)困難，就是物體吸熱的多少既看不出來(lái)，也沒(méi)有什么儀器來(lái)測(cè)量.這時(shí)，若能巧妙地將研究的物理量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把隱性的物理量轉(zhuǎn)換成顯性物理量，那么復(fù)雜問(wèn)題就會(huì)化難為易，迎刃而解.我們可以用兩個(gè)相同的“酒精燈”對(duì)其加熱，通過(guò)比較加熱時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)比較吸熱的多少.

四、“轉(zhuǎn)化法”在電磁學(xué)中的應(yīng)用

電流是電荷的定向移動(dòng)形成的.但是電荷本身無(wú)法直接看見(jiàn)，不像“水流”“車流”“人流”那么直觀.由于導(dǎo)體有電流通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的效應(yīng)（化學(xué)效應(yīng)、熱效應(yīng)、磁效應(yīng)），因此，教材通過(guò)小燈泡發(fā)光來(lái)判斷電流的存在與否.同樣，在“探究導(dǎo)體的電阻跟哪些因素有關(guān)”時(shí)，因?yàn)樵陔妷阂欢ǖ臈l件下，電阻發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電路中的電流發(fā)生變化，從而引起小燈泡的亮度變化.所以，通過(guò)小燈泡亮度的比較來(lái)比較電阻的大小，是將不可見(jiàn)的電阻轉(zhuǎn)換為直觀的亮度來(lái)反映.

在“探究電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，產(chǎn)生的熱量與那些因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)中，如圖8，電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱量無(wú)法直接觀測(cè)和比較，教材將比較導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量多少轉(zhuǎn)換為比較煤油吸熱多少，觀察同質(zhì)量煤油溫度變化情況，比較同質(zhì)量煤油吸熱多少，從而判斷哪個(gè)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量多.實(shí)驗(yàn)后，再思考問(wèn)題：“該實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癫挥妹河投挠闷渌绞絹?lái)觀察電阻通電后的發(fā)熱情況？”這樣，可促使轉(zhuǎn)換的思維方法得到進(jìn)一步訓(xùn)練，提高實(shí)驗(yàn)探究的能力.

在學(xué)習(xí)電磁知識(shí)時(shí)，將不可見(jiàn)的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為鐵屑的分布，通過(guò)受磁場(chǎng)作用力的鐵屑的分布情況來(lái)反映磁場(chǎng)的分布情形，從而建立磁場(chǎng)的理想模型——磁感線.在探究電磁鐵的磁性強(qiáng)弱時(shí)，將電磁鐵的磁性強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為電磁鐵對(duì)大頭針的吸引的數(shù)目，數(shù)目越大，磁性越強(qiáng).還有，對(duì)很抽象的電流的磁場(chǎng)，通過(guò)通電導(dǎo)線旁小磁針的偏轉(zhuǎn)來(lái)說(shuō)明電流周圍存在著磁場(chǎng)、磁場(chǎng)的方向與電流的方向有關(guān)等.

五、“轉(zhuǎn)化法”在解題中的應(yīng)用

1.轉(zhuǎn)換研究對(duì)象

在實(shí)際問(wèn)題解決過(guò)程中，首先要選擇合適的研究對(duì)象，我們一般選取與所求量有直接關(guān)系的物體為研究對(duì)象，但有一些問(wèn)題，這樣思考下去困難重重，如果活用轉(zhuǎn)換法，將研究對(duì)象合理轉(zhuǎn)換，問(wèn)題就會(huì)得到簡(jiǎn)捷解答.

例1 木塊A漂浮在容器中的水面上，它上面放一石塊B（如圖9），此時(shí)，木塊A排開(kāi)水的體積為V1，若將石塊B從木塊A上取下，放入水中靜止時(shí)，A和B排開(kāi)水的體積為V2，已知V1-V2=2dm3，木塊A體積為4dm3，石塊B的密度為3×103kg/m3，g=10N/kg，則容器底對(duì)石塊B的支持力為（ ）.

A.10N B.20N C.30N D.40N

解析 按常規(guī)方法，應(yīng)分別選木塊A和石塊B為研究對(duì)象，分析它們的受力情況及力的變化，這樣，無(wú)疑是較復(fù)雜的，若能把A和B視為整體，巧以整體為研究對(duì)象，即可速解.

（1）當(dāng)石塊B在木塊A上時(shí)，整體處于漂浮狀態(tài)，有：

F浮1=GA+GB，

即ρ水gV1=GA+GB. ①

（2）當(dāng)B放在水中靜止時(shí)，研究對(duì)象A呈漂浮狀態(tài)，研究對(duì)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①②兩式相減，

得：F支=ρ水g（V1-V2）=20N.

故選B.

2.轉(zhuǎn)換思維角度

不論在物理實(shí)驗(yàn)，還是在綜合應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換法都有獨(dú)特妙用.同學(xué)們要克服思維定勢(shì)，培養(yǎng)靈活的思維模式，利用題目中的對(duì)應(yīng)關(guān)系、隱含的條件，在不同的物理量之間運(yùn)用轉(zhuǎn)換思想進(jìn)行自由切換，為解決問(wèn)題提供新思維、新方法、新途徑.

例2 把兩個(gè)標(biāo)有“6V 3W”和“6V 4.5W”字樣的小燈泡串聯(lián)后，接在8V電源上，在ts內(nèi)電流通過(guò)它們所做的功分別為W1、W2，然后把它們并聯(lián)起來(lái)接在4V電源上，在相同時(shí)間ts內(nèi)電流通過(guò)它們所做的功分別為W1′、W2′，則（ ）.

A.W1>W1′，W2

B.W1>W1′，W2>W2′

C.W1W2′

D.W1

解析 按常規(guī)方法，須先分別算出兩燈的電阻，然后分別算出兩燈串、并聯(lián)時(shí)各自消耗的電功率，才能比較兩種情況下兩燈各自電功的大小關(guān)系.這樣，顯得費(fèi)時(shí)又易出錯(cuò).本題給出燈的U額和P額，依據(jù)P額

=U額2/R可知，“6V 3W”燈的電阻R1大于“6V 4.5W”燈的電阻R2，由此我們不妨轉(zhuǎn)換一下思維角度，因題中只要比較電功的大小關(guān)系，由R1>R2，串聯(lián)時(shí)有U1>4V，U2<4V；并聯(lián)時(shí)接在4V電源上，有U1′=U2′

=4V.故U1>U1′，U2

=UIt=U2t/R，不難得出：W1>W1′，W2