物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本方法

物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本方法

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

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

上海作為高考改革的試點(diǎn)城市，其成功的改革將為全國(guó)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(guó)高考所借鑒．如１９９６年全國(guó)高考第２１題就是從１９９５年上海高考第一（５）題脫胎而來(lái)的．無(wú)疑上海高考關(guān)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的考查是又一個(gè)成功的改革舉措，極有在全國(guó)推廣的價(jià)值．而物理《考試說(shuō)明》中要求“會(huì)用在這些實(shí)驗(yàn)中學(xué)過(guò)的實(shí)驗(yàn)方法”，也為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的考查在全國(guó)的推廣提供了可能．

著名核物理學(xué)家錢三強(qiáng)先生在為郭奕玲、沈慧君編著的《物理學(xué)史》所作的序中，曾嚴(yán)厲指出：“今天我們科學(xué)界有一個(gè)弱點(diǎn)，這就是思想不很活潑，這也許跟大家過(guò)去受的教育有一定關(guān)系……”我們常常教育學(xué)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(gè)小小的空格“是……”．這樣培養(yǎng)選拔出來(lái)的人才在學(xué)校是好學(xué)生，步入社會(huì)是好職員，大腦中只是機(jī)械地跳動(dòng)著兩個(gè)問(wèn)題：“你要我做什么？你要我怎么做？”工作常常：“完成”的相當(dāng)漂亮，但思想僵化，毫無(wú)創(chuàng)見．這正是我們的悲哀！長(zhǎng)期以來(lái)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(gè)美籍華人時(shí)才有一種借來(lái)的榮光與自豪！

思想不活躍，是因?yàn)槲覀兘o了學(xué)生太多的“必須”的限制；思想僵化，是因?yàn)槲覀兞艚o學(xué)生太少的“可能”的余地．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)，正是活躍思想，培養(yǎng)能力的一種好方法，授以實(shí)驗(yàn)的基本方法，讓學(xué)生自己去考慮有哪些可能的做法，自己會(huì)怎么做．

題目或課題要求測(cè)定什么物理量，或要求驗(yàn)證、探索什么規(guī)律，這是實(shí)驗(yàn)的目的，是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)．實(shí)驗(yàn)?zāi)康拿鞔_后，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，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(guò)，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(duì)于測(cè)量型實(shí)驗(yàn)，被測(cè)量通過(guò)什么規(guī)律需用哪些物理量來(lái)定量地表示；對(duì)于驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，在相應(yīng)的物理現(xiàn)象中，怎樣的定量關(guān)系成立，才能達(dá)到驗(yàn)證規(guī)律的目的；對(duì)于探索型實(shí)驗(yàn)，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(lái)說(shuō)，要測(cè)定地球表面附近的重力加速度，我們就應(yīng)檢索：在所學(xué)知識(shí)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(lái)：

（１）在靜力學(xué)中，靜止物體對(duì)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(cè)出，則重力加速度ｇ可測(cè)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(cè)出，則重力加速度ｇ可測(cè)定．

（３）在運(yùn)動(dòng)學(xué)中，物體從光滑斜面上由靜止下滑，ｓ＝１２ｇｓｉｎθｔ２．若ｓ、θ和ｔ可測(cè)定，則重力加速度ｇ也可測(cè)定．

（４）在運(yùn)動(dòng)學(xué)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(cè)，則重力加速度ｇ也可測(cè)定．

（５）自由落體運(yùn)動(dòng)中，ｈ＝１２ｇｔ２．若ｈ和ｔ可測(cè)出，則重力加速度ｇ也可測(cè)定．

（６）用重力加速度測(cè)定儀測(cè)定．

（７）在平拋運(yùn)動(dòng)中，豎直方向在連續(xù)相等的時(shí)間內(nèi)位移之差Δｙ＝ｇｔ２．若Δｙ和ｔ可測(cè)，重力加速度ｇ同樣可以測(cè)出．

（８）在斜拋運(yùn)動(dòng)中，水平射程可以表示為ｘ＝ｖ０２ｓｉｎ２θ／ｇ．若ｘ、ｖ０和θ可測(cè)出，則重力加速度ｇ也可測(cè)出．

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

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

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

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

…………

對(duì)于每一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，都可能存在多條思路、多種方案．教材中關(guān)于某個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的實(shí)驗(yàn)方案，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(shí)驗(yàn)方案中，我們應(yīng)如何選擇呢？一般來(lái)說(shuō)，選擇實(shí)驗(yàn)方案主要有三條原則：

（１）簡(jiǎn)便性原則即要求所選方案原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，各量易測(cè)．應(yīng)盡量避免實(shí)施那些原理復(fù)雜、操作繁瑣和被測(cè)量不易直接測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方案．

（２）可行性原則實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施要安全可靠，不會(huì)對(duì)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(shí)際，不能超出現(xiàn)有條件．

（３）精確性原則不同的實(shí)驗(yàn)方案，其實(shí)驗(yàn)原理、所用儀器以及實(shí)驗(yàn)重復(fù)性等方面所引入的誤差是不同的．在選擇方案時(shí)，應(yīng)對(duì)各種可能的方案進(jìn)行初步的誤差分析，盡可能選用精確度高的實(shí)驗(yàn)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(cè)力計(jì)誤差較大；（２）中Ｆ⊥和ａ⊥均不易測(cè)定；（３）中θ和ｔ不易測(cè)定且難以保證斜面足夠光滑；（４）中θ、ｔ和μ均不易測(cè)定；（５）中若用秒表計(jì)時(shí)人為因素較大，若用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，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(jìn)但一般中學(xué)沒(méi)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(dá)不到要求，若用平拋運(yùn)動(dòng)的研究方法誤差較大；（８）中θ和ｖ０的測(cè)量難度較大；（９）中相對(duì)而言較切合中學(xué)實(shí)際；（１０）中需測(cè)定的物理量多且很難采取絕熱措施；（１１）中學(xué)階段不易測(cè)定荷質(zhì)比；（１２）只是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，無(wú)法付諸實(shí)踐，但可估算，代入數(shù)據(jù)得ｇ＝９．８５７ｍ／ｓ２，與標(biāo)準(zhǔn)值９．８１ｍ／ｓ２只相差４．８��．綜上所述，中學(xué)階段通常采用單擺法測(cè)定重力加速度．

實(shí)驗(yàn)方案選定之后，考慮該方案需要哪些裝置，被測(cè)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(lái)測(cè)定，從而確定整個(gè)實(shí)驗(yàn)需要哪些器材．

在“用單擺測(cè)定重力加速度”的實(shí)驗(yàn)中，是利用單擺裝置來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，故需鐵架臺(tái)、細(xì)線和擺球等來(lái)組裝單擺．重力加速度可表示為ｇ＝４π２ｌ／Ｔ２，周期需用秒表測(cè)定；擺長(zhǎng)ｌ是從懸點(diǎn)到擺球中心的距離，因此需用米尺和游標(biāo)卡尺分別測(cè)定擺線長(zhǎng)度ｌ和擺球直徑ｄ．從實(shí)驗(yàn)原理表達(dá)式可以看出，實(shí)驗(yàn)與擺球質(zhì)量無(wú)關(guān)，故毋需使用天平．

當(dāng)然，從實(shí)驗(yàn)方便性和精確性角度考慮，還需對(duì)所選器材作進(jìn)一步要求，以期把系統(tǒng)誤差降到最�。�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．?dāng)[線伸縮性大，其長(zhǎng)度會(huì)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(yuǎn)，誤差就越大．為了便于觀察，擺球振動(dòng)的路徑宜長(zhǎng)，但又要確保單擺做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，故擺線宜長(zhǎng)些，常�。泵鬃笥遥�

實(shí)驗(yàn)之前，要做到心中有數(shù)：如何組裝器材，哪些量先測(cè)，哪些量后測(cè)，應(yīng)從正確操作和提高效率的角度擬定一個(gè)合理而有序的實(shí)驗(yàn)步驟．對(duì)一些可直接測(cè)量的物理量，可先行測(cè)量；對(duì)需通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置才能測(cè)定的物理量，須先組裝器材，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、觀察和測(cè)量．

在“利用單擺測(cè)定重力加速度”的實(shí)驗(yàn)中．原理表達(dá)式ｇ＝４π２ｌ／Ｔ２中的ｌ和Ｔ分別為單擺的擺長(zhǎng)和單擺做簡(jiǎn)諧振動(dòng)的周期．因此應(yīng)先組裝單擺，再測(cè)定擺長(zhǎng)，最后讓單擺做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，測(cè)定周期Ｔ．根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出重力加速度ｇ的值．至于過(guò)程細(xì)節(jié)不再贅述．

高考對(duì)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(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)也應(yīng)予考慮．

我們不能說(shuō)全國(guó)高考對(duì)中學(xué)教學(xué)起一種指揮棒的作用，但也無(wú)法低估高考對(duì)中學(xué)教學(xué)的導(dǎo)向作用，正確認(rèn)識(shí)并充分利用這種導(dǎo)向作用，對(duì)改善中學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀是大有裨益的．因此在高考命題上做點(diǎn)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(guó)高考第１５題為例，若把問(wèn)題改為：“根據(jù)以上數(shù)據(jù)，能否驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律？試用必要的文字和簡(jiǎn)明的算式闡明你的觀點(diǎn)．”這樣一改，同樣可考查即時(shí)速度、ΔＥＰ和ΔＥＫ的計(jì)算，但為學(xué)生提供的可能性增多了．為什么非得從“第一個(gè)點(diǎn)”開始考慮呢？見微知著，我們完全可以通過(guò)證明ΔＥＰ（ＢＣ）與ΔＥＫ（ＢＣ）相等來(lái)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，至少可說(shuō)明ＢＣ過(guò)程機(jī)械能守恒．

總而言之，要改善中學(xué)物理教學(xué)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(jì)人才，即需中學(xué)教育工作者的切實(shí)努力，也需全國(guó)高考的積極正確導(dǎo)向．

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