物理实验中的转换思想，本文主要内容关键词为：物理实验论文,思想论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
转换，即更改、改换，它是当事物的发展遇到某种障碍时，将困难的、复杂的情况转换成容易的、简单的情况的一种思想方法。这种思想方法在物理实验中是经常用到的。
1观察中的转换
实验离不开观察。特别是在演示实验中让学生方便地、明显地观察到实验现象，是实验设计中必须考虑的一个环节。对那些微小的、不明显的实验现象，在实验设计中，可以通过转换的思想进行处理，以达到观察要求。
高中物理刚开始的“弹力”教学中，对形变这一现象，教材中明确指出：“物体在力的作用下发生的形变，有的明显，能够直接看到；有的很不明显，不能直接看到，只有想点特殊的方法才能察觉。”这一“特殊的方法”即为转换的思想方法。为此，教材设计了演示微小形变的实验。该实验设计的妙处是：把玻璃瓶壁的微小形变转换成玻璃瓶容积的微小变化，再利用水的流动性，转换为玻璃管中水面高度的变化。玻璃管很细，原来不易观察的瓶壁微小形变“转换—放大”为容易观察的显著变化，这种“转换—放大”的思想方法在观察中很有用。
对微观世界物理现象的观察，除了用能放大200 万倍的电子显微镜进行直接观察外，还可以通过间接观察。实现间接观察的关键在于转换，例如在布朗运动的实验中，液体分子的运动是通过悬浮微粒的运动来反映的。分子与微粒的关系是作用与被作用的关系。直接观察不到的分子运动，可以经过被作用的中介物——微粒而显示出来，从而为推断分子运动的情况提供了事实依据。用被作用的中介物来显示作用物的现象（性质），是物理实验中转换思想的运用之一。如以发屑和铁粉显示电场线和磁感线等，甚至如获得诺贝尔奖的威耳逊云室，也是通过转换思想而达到观察粒子运动径迹的目的。
观察中的转换还有一类是测量仪器本身，通过转换思想把不能或不便测量的量转换成能够或便于测量的量。如弹簧测力计、压强计、计时器、温度计、电表等等把不便观察的量转换成可观察的量。
2测量中的转换
在物理实验中，有许多物理量是不能或不便直接测量的。将这些物理量转换为便于直接测量的物理量，然后利用待测量和这些直接测量的量之间的函数关系，求得待测量，是物理测量中的重要思想，也是转换思想在物理实验中应用最广的所在。
2.1整个实验过程中只遇到一个不能或不便直接测量的量
这一情况，教材中最突出的是“研究牛顿第二定律”的演示实验和“碰撞中的动量守恒”学生分组实验。
“研究牛顿第二定律”的演示实验的目的是研究物体的加速度跟外力F及物体的质量m的定量关系。实验的思路是：先控制m相同，F不同，测量α跟F的对应值，寻找α跟F的关系；再控制F相同，m不同，测量α跟m的对应值，寻找α跟m的关系，最后综合以上实验结果，确定F、m、α三者的定量关系。在演示实验中，我们往往考虑在实验允许的误差范围内，既省时又方便，而且符合科学性的测量方法。在研究牛顿第二定律的演示实验中，如果采用刚学过的纸带法测α，显然不太符合演示实验的要求。所以，在该实验的设计中不采用不便直接测量的小车每次运动的加速度，而是用比较同一时间内的位移来间接比较两个运动的加速度，即把测量加速转换成测量位移，这是该演示实验中的巧妙所在。
“碰撞中的动量守恒”学生分组实验中，必须测量而又不便测量的量是入射小球和被碰小球碰撞前后的速度。我们知道，从槽上滚下的入射小球的运动方向是水平的，两个小球发生碰撞后的速度也在同一方向上，所以小球碰撞前后的速度，可以利用平抛运动的知识转换成小球飞离轨道后的水平距离。因为做平抛运动的小球落到地面时，只要下落的高度相同，它们飞行的时间就相同。这样，水平飞出的速度与其飞出的水平距离成正比。如果用小球飞行时间作时间单位，小球在某一方向上水平飞出的距离在数值上就等于它在这个方向上的水平速度。这样，只要测出小球飞出的水平距离，就可以得到我们要测量的小球的速度了。
2.2整个实验过程所测量的量是一个不能或不便直接测量的量
在测量性实验中，当被测量是一个不能或不便直接测量的量时，我们往往通过转换思想进行间接测量。这类情形比较多。
“用单摆测定重力加速度”的学生分组实验中，重力加速度是不便于直接测量的量，但我们可以通过转换的思想，测量单摆的摆长和周期，然后根据单摆的周期公式
来求得重力加速度。
“用冲击摆测量弹丸的速度”的学生分组实验中，弹丸射入冲击摆后两者的共同速度是很难测准又不便测量的量。如果我们通过转换思想，让冲击摆带有记录摆动最大偏角的指针，使实验中能够记录冲击摆所达到的最大偏角。那么，我们就可以测出冲击摆的最大偏角θ及摆长L，再由几何关系h＝L（1－cosθ）求得摆上升的最大高度，然后根据公式
求得摆的初速度。
2.3通过转换思想设计能够测量出不能或不便测量的量的装置
牛顿发现万有引力定律之后的100年内， 一直没有人能在实验室内验证它，那是因为普通的两个物体之间的引力实在太小了，无法显示出来。为了解决这个问题，卡文迪什通过转换思想，设计出了扭秤装置，巧妙地将力的测量转换成力矩的测量，而力矩的大小正比于石英丝上的转动角度，这种转动的角度又转换成光点的移动。即力→力矩→扭丝偏角→光标位置。通过三次变换，就使微小力的测量成为可能。
美国物理学家迈克耳孙采用“旋转棱镜法”测定光速的实验装置也是一个通过转换思想而设计的典型例子。测量光速必须准确测量光传播的距离和时间，而最难的是测量时间，因为时间极短。 迈克耳孙在1926年的实验，是把两个基点——八面棱镜和反射镜之间的距离（35385.5m）测量得很精确，相对误差不超过七百万分之一。实验选择在平静无风时进行。由慢到快调节八面棱镜转速，只有当棱镜转过八分之一周所需的时间恰好等于光在两个基点间的来回传播所需时间时，才能在望远镜中观察到来自光源的光，也就是用转换成棱镜转八分之一周的时间去“寻找”光传播的时间。当“同步”稳定时，可用棱镜较多的转数和所需时间计算棱镜转八分之一周所需时间，使时间测量的相对误差很小。这样，通过光在两基点间来回传播的时间，转换成棱镜旋转八分之一周所需时间，从而解决了光速测量中时间测量的难点。
我们在向学生介绍卡文迪什扭秤实验和迈克耳孙旋转棱镜法测定光速实验的装置和原理的过程中，不仅要使学生学习有关实验内容，更重要的是要使学生了解实验设计中的转换思想。使学生知道怎样通过测量转换的思想方法，把研究对象与已经掌握的测量手段联系起来，从而解决测量中所遇到的困难。这是最生动、最富有创造性的教学活动，是培养学生创造性思维的大好时机。
3数据处理中的转换
在实验中通过一定的转换思想来观察现象、测量数据，只是实验的一个初级阶段，要达到实验所预期的目的，还必须通过分析和处理实验现象和数据这一高层次的阶段。在该阶段中需要对实验对象和数据进行分析、综合、抽象、概括等逻辑思维以及数学、图像等一系列方法，必要时还需要通过转换思想，才能挖掘出实验现象和数据中蕴含的深刻含义，从而验证或得出物理规律（提出假说）。
处理实验数据，往往采用列表分析、数值计算的处理方法和图像处理方法。列表分析、数值计算的处理过程，实际上是一个转换思想的运用过程。将间接测量的量通过计算转换成实验中不能或不便直接测量的量，从而得出实验结论。用图像法处理实验数据因其简单、直观、物理意义明显，在中学物理实验中被广泛应用。用图像法处理实验数据时，为了更清楚地显示物理量之间的关系，首先要合理地建立坐标。一般可以直接按所研究的物理量来建立坐标。但在有些情况下，用这样的方法建立的坐标往往不能直观地显示物理量之间的关系，这时，就必须通过转换思想，将坐标轴进行转换。例如在“玻意耳定律”的教学中，从实验中测得的压强和对应的体积一系列数据后，如果按压强p和体积V取坐标，建立p－V图像，描点后所得图线近于一条双曲线。在理论上，实验图线应该是一条以p轴和V轴为渐近线的双曲线。但在已知渐近线的条件下，实际上可作无数条双曲线。因此，要检验实验图线是否是一条双曲线是一件非常困难的事情。如果在猜想的基础上，通过转换思想，建立p－1／V图像，则在理论上实验图线应该是一条过坐标原点的直线，而检验实验图线是否过原点的直线就很容易了。这种实验图线改直的方法，是实验中用于寻找物理量之间关系常用的转换思想方法，如“验证牛顿第二定律”实验中的α－1／m图线也是如此。坐标的转换还可以有多种方式。如检验单摆的周期T与L之间的关系时，可用
来取坐标，也可用“T[,2]－L”来取坐标等等。一些更复杂的转换情况，如按指数、对数取坐标，这在中学物理实验数据处理中一般是不用的。
物理学史告诉我们，每一次物理学上的重大发现，往往伴随着实验思想的重大突破。物理实验大师的那些深刻的设计思想，精巧的实验方法，是人类认识未知世界的锐利武器和宝贵财富。因此，我们面对物理教材中多种多样的实验素材，无论是演示实验还是学生分组实验，都应该努力提取其蕴含的丰富的实验思想，深入解剖，充分开发它们的教学功能。转换思想就是其中之一。
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