物理實驗設(shè)計的基本方法

物理實驗設(shè)計的基本方法

物理學是一門實驗科學，而我們目前的物理教學，基本上是停留在關(guān)于物理學的知識系統(tǒng)的歸納和理論體系的闡述上，就連物理實驗本身的教學，也是按教材的分析按部就班地進行純理論的講解．其弊端是顯而易見的，如果考查的實驗不是教材所限的實驗?zāi)兀?/p>一、實驗設(shè)計教學的必要性

１９９６年上海高考第四（５）題要求測定陶瓷管上均勻電阻膜的厚度，就屬于設(shè)計型實驗．但由于題目給出了全部實驗器材和所有相關(guān)量，使實驗定位在電阻或電阻率的測定上，又大大降低了實驗難度，只屬于局部設(shè)計型實驗．無論命題者出于何種考慮，設(shè)計型實驗畢竟半遮半掩地出現(xiàn)了，這多少給教學工作者提了個醒．

上海作為高考改革的試點城市，其成功的改革將為全國高考提供可能的改革方向，甚至一些新穎的題型和情境，都可能為全國高考所借鑒．如１９９６年全國高考第２１題就是從１９９５年上海高考第一（５）題脫胎而來的．無疑上海高考關(guān)于實驗設(shè)計的考查是又一個成功的改革舉措，極有在全國推廣的價值．而物理《考試說明》中要求“會用在這些實驗中學過的實驗方法”，也為實驗設(shè)計的考查在全國的推廣提供了可能．

著名核物理學家錢三強先生在為郭奕玲、沈慧君編著的《物理學史》所作的序中，曾嚴厲指出：“今天我們科學界有一個弱點，這就是思想不很活潑，這也許跟大家過去受的教育有一定關(guān)系……”我們常常教育學生“應(yīng)該……”“必須……”；我們的考試題目常常不惜筆墨描述背景、附加條件，最后只有一個小小的空格“是……”．這樣培養(yǎng)選拔出來的人才在學校是好學生，步入社會是好職員，大腦中只是機械地跳動著兩個問題：“你要我做什么？你要我怎么做？”工作常常：“完成”的相當漂亮，但思想僵化，毫無創(chuàng)見．這正是我們的悲哀！長期以來的這種教育選拔模式，致使我們現(xiàn)在仍只能在很羞澀地提到幾個美籍華人時才有一種借來的榮光與自豪！

思想不活躍，是因為我們給了學生太多的“必須”的限制；思想僵化，是因為我們留給學生太少的“可能”的余地．實驗設(shè)計的教學，正是活躍思想，培養(yǎng)能力的一種好方法，授以實驗的基本方法，讓學生自己去考慮有哪些可能的做法，自己會怎么做．

題目或課題要求測定什么物理量，或要求驗證、探索什么規(guī)律，這是實驗的目的，是實驗設(shè)計的出發(fā)點．實驗?zāi)康拿鞔_后，應(yīng)用所學知識，廣泛聯(lián)系，看看該物理量或物理規(guī)律在哪些內(nèi)容中出現(xiàn)過，與哪些物理現(xiàn)象有關(guān)，與哪些物理量有直接的聯(lián)系．對于測量型實驗，被測量通過什么規(guī)律需用哪些物理量來定量地表示；對于驗證型實驗，在相應(yīng)的物理現(xiàn)象中，怎樣的定量關(guān)系成立，才能達到驗證規(guī)律的目的；對于探索型實驗，在相應(yīng)的物理現(xiàn)象中，涉及哪些物理量……這些都是應(yīng)首先分析的．

舉例來說，要測定地球表面附近的重力加速度，我們就應(yīng)檢索：在所學知識范圍內(nèi)，哪些內(nèi)容涉及到重力加速度，它與其他物理量有何定量關(guān)系，并一一羅列出來：

（１）在靜力學中，靜止物體對豎直懸繩的拉力或?qū)λ�平支持物的壓力大小就等于重力，即Ｔ＝Ｎ＝ｍｇ．若Ｔ（或Ｎ）和ｍ能測出，則重力加速度ｇ可測定．

（２）在超重或失重（但不完全失重）系統(tǒng)中，Ｆ⊥－ｍｇ＝±ｍａ⊥．若Ｆ⊥、ａ⊥和ｍ可測出，則重力加速度ｇ可測定．

（３）在運動學中，物體從光滑斜面上由靜止下滑，ｓ＝１２ｇｓｉｎθｔ２．若ｓ、θ和ｔ可測定，則重力加速度ｇ也可測定．

（４）在運動學中，物體從粗糙斜面上由靜止下滑，ｓ＝１２（ｇｓｉｎθ－μｇｃｏｓθ）ｔ２．若ｓ、θ、μ和ｔ可測，則重力加速度ｇ也可測定．

（５）自由落體運動中，ｈ＝１２ｇｔ２．若ｈ和ｔ可測出，則重力加速度ｇ也可測定．

（６）用重力加速度測定儀測定．

（７）在平拋運動中，豎直方向在連續(xù)相等的時間內(nèi)位移之差Δｙ＝ｇｔ２．若Δｙ和ｔ可測，重力加速度ｇ同樣可以測出．

（８）在斜拋運動中，水平射程可以表示為ｘ＝ｖ０２ｓｉｎ２θ／ｇ．若ｘ、ｖ０和θ可測出，則重力加速度ｇ也可測出．

（９）單擺做簡諧振動時，其周期可以表示為Ｔ＝２πｌ／ｇ．若Ｔ和ｌ可測，則ｇ可測．

（１０）在焦耳測定熱功當量的實驗中，若能測出水的質(zhì)量和升高的溫度，算出水增加的內(nèi)能，再測出重物的質(zhì)量和下落的高度，同樣可測定重力加速度．

（１１）帶電粒子在的勻強電場平行板電容器中平衡時，ｍｇ＝ｑＵ／ｄ．若Ｕ、ｄ和帶電粒子的荷質(zhì)比（ｑ／ｍ）可測定，則ｇ可測出．

（１２）假設(shè)一物體在地球表面附近繞地球做圓周運動，ｍｇ＝ＧＭｍ／Ｒ２，ｇ＝ＧＭ／Ｒ２．

…………

對于每一個實驗?zāi)繕�，都可能存在多條思路、多種方案．教材中關(guān)于某個實驗?zāi)繕说膶嶒灧桨�，也只是眾多方案中的一種，而且不一定是最好的一種，而只是較可行的一種．那么在眾多實驗方案中，我們應(yīng)如何選擇呢？一般來說，選擇實驗方案主要有三條原則：

（１）簡便性原則即要求所選方案原理簡單、操作簡便，各量易測．應(yīng)盡量避免實施那些原理復(fù)雜、操作繁瑣和被測量不易直接測量的實驗方案．

（２）可行性原則實驗方案的實施要安全可靠，不會對人身和器材造成危害；所需裝置和器材要易于置備，不能脫離實際，不能超出現(xiàn)有條件．

（３）精確性原則不同的實驗方案，其實驗原理、所用儀器以及實驗重復(fù)性等方面所引入的誤差是不同的．在選擇方案時，應(yīng)對各種可能的方案進行初步的誤差分析，盡可能選用精確度高的實驗方案．

以上三原則通常要綜合考慮．

在前述方案中，方案（１）中常用的測力計誤差較大；（２）中Ｆ⊥和ａ⊥均不易測定；（３）中θ和ｔ不易測定且難以保證斜面足夠光滑；（４）中θ、ｔ和μ均不易測定；（５）中若用秒表計時人為因素較大，若用打點計時器計時，紙帶受振針阻力與通常小物塊所受重力相比不能忽略；（６）中儀器先進但一般中學沒有；（７）中若用閃光照像技術(shù)則是一種好方案，但設(shè)備和技術(shù)都達不到要求，若用平拋運動的研究方法誤差較大；（８）中θ和ｖ０的測量難度較大；（９）中相對而言較切合中學實際；（１０）中需測定的物理量多且很難采取絕熱措施；（１１）中學階段不易測定荷質(zhì)比；（１２）只是一個思想實驗，無法付諸實踐，但可估算，代入數(shù)據(jù)得ｇ＝９．８５７ｍ／ｓ２，與標準值９．８１ｍ／ｓ２只相差４．８��．綜上所述，中學階段通常采用單擺法測定重力加速度．

實驗方案選定之后，考慮該方案需要哪些裝置，被測量與哪些物理量有直接的定量關(guān)系，這些物理量分別需用什么儀器來測定，從而確定整個實驗需要哪些器材．

在“用單擺測定重力加速度”的實驗中，是利用單擺裝置來進行實驗的，故需鐵架臺、細線和擺球等來組裝單擺．重力加速度可表示為ｇ＝４π２ｌ／Ｔ２，周期需用秒表測定；擺長ｌ是從懸點到擺球中心的距離，因此需用米尺和游標卡尺分別測定擺線長度ｌ和擺球直徑ｄ．從實驗原理表達式可以看出，實驗與擺球質(zhì)量無關(guān)，故毋需使用天平．

當然，從實驗方便性和精確性角度考慮，還需對所選器材作進一步要求，以期把系統(tǒng)誤差降到最小．如上述器材中，擺線的伸縮性和質(zhì)量應(yīng)較小，擺球的質(zhì)量應(yīng)較大．擺線伸縮性大，其長度會隨拉力變化而變化；擺球與擺線質(zhì)量相差越小，系統(tǒng)（擺線和擺球）質(zhì)心偏離擺球中心越遠，誤差就越大．為了便于觀察，擺球振動的路徑宜長，但又要確保單擺做簡諧振動，故擺線宜長些，常�。泵鬃笥遥�

實驗之前，要做到心中有數(shù)：如何組裝器材，哪些量先測，哪些量后測，應(yīng)從正確操作和提高效率的角度擬定一個合理而有序的實驗步驟．對一些可直接測量的物理量，可先行測量；對需通過實驗裝置才能測定的物理量，須先組裝器材，再進行實驗、觀察和測量．

在“利用單擺測定重力加速度”的實驗中．原理表達式ｇ＝４π２ｌ／Ｔ２中的ｌ和Ｔ分別為單擺的擺長和單擺做簡諧振動的周期．因此應(yīng)先組裝單擺，再測定擺長，最后讓單擺做簡諧振動，測定周期Ｔ．根據(jù)所測數(shù)據(jù)計算出重力加速度ｇ的值．至于過程細節(jié)不再贅述．

高考對此要求不高，但常用的數(shù)據(jù)處理和誤差分析的方法還是應(yīng)該掌握，在設(shè)計實驗時也應(yīng)予考慮．

我們不能說全國高考對中學教學起一種指揮棒的作用，但也無法低估高考對中學教學的導向作用，正確認識并充分利用這種導向作用，對改善中學教學現(xiàn)狀是大有裨益的．因此在高考命題上做點文章，使試題內(nèi)涵精些，外延寬些，少些“是什么”，多些“怎么樣”，思想自然活躍，花樣自然增多．以１９９６年全國高考第１５題為例，若把問題改為：“根據(jù)以上數(shù)據(jù)，能否驗證機械能守恒定律？試用必要的文字和簡明的算式闡明你的觀點．”這樣一改，同樣可考查即時速度、ΔＥＰ和ΔＥＫ的計算，但為學生提供的可能性增多了．為什么非得從“第一個點”開始考慮呢？見微知著，我們完全可以通過證明ΔＥＰ（ＢＣ）與ΔＥＫ（ＢＣ）相等來驗證機械能守恒定律，至少可說明ＢＣ過程機械能守恒．

總而言之，要改善中學物理教學現(xiàn)狀，培養(yǎng)思想活躍、有創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力的跨世紀人才，即需中學教育工作者的切實努力，也需全國高考的積極正確導向．

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