高中物理實(shí)驗(yàn)的常用方法

肖鵬

【摘 要】 物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)。所有的物理知識(shí)，包括物理概念、定律和理論，都是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來的。因此，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)技能，了解物理學(xué)的研究方法，培養(yǎng)嚴(yán)格的實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，對(duì)學(xué)生今后搞科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)革新有重要的基礎(chǔ)作用。這就是當(dāng)前我們貫徹和實(shí)施素質(zhì)教育，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)素質(zhì)、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力的正確教育思想。

【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)方案；相對(duì)誤差

物理學(xué)是一門以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)，而我們目前的高中物理教學(xué)，基本上是停留在關(guān)于物理學(xué)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——學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Σ荒艿玫接行У靥岣?，?duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)無從下手。對(duì)于教材已有的實(shí)驗(yàn)還可以應(yīng)付，但教材以外的一些拓展延伸就很難說了。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)的必要性

今年在我校高三復(fù)習(xí)的一次物理測(cè)試中有這樣一個(gè)題：“某同學(xué)利用刻度尺、一支刻度很模糊的彈簧秤、書本粗略測(cè)出了書與桌面間的動(dòng)摩擦因數(shù)，請(qǐng)寫出實(shí)驗(yàn)的步驟以及計(jì)算的表達(dá)式?！蔽覀儼l(fā)現(xiàn)有將近百分之八十的同學(xué)不能完成。這已經(jīng)是非常簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目了，由此可見我們學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力之差。無論命題者出于何種考慮，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)已經(jīng)是考察的重點(diǎn)，因此我們每個(gè)物理教學(xué)工作者都應(yīng)該更加的重視，有必要在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)中多花些精力。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本方法

1.明確目的，廣泛聯(lián)系

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，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)量通過什么規(guī)律需用哪些物理量來定量地表示（如要測(cè)量物質(zhì)的密度ρ，會(huì)聯(lián)系到物質(zhì)的體積V和質(zhì)量M，利用他們的定量規(guī)律）；對(duì)于驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，在相應(yīng)的物理現(xiàn)象中，有怎樣的定量關(guān)系成立，才能達(dá)到驗(yàn)證規(guī)律的目的（如要驗(yàn)證機(jī)械能守恒中，要確立的定量關(guān)系為：在某段時(shí)間內(nèi)減少的重力勢(shì)能等于增加的動(dòng)能即）；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。

舉例來說，要測(cè)定金屬導(dǎo)體的電阻，我們就應(yīng)檢索：在所學(xué)知識(shí)范圍內(nèi)，哪些內(nèi)容涉及到金屬導(dǎo)體的電阻，它與其他物理量有何定量關(guān)系，并一一羅列出來：

（1）由部分電路的歐姆定律可得，R=。如果在電路中我們測(cè)出導(dǎo)體兩端的電壓和通過導(dǎo)體的電流，我們就可以得到R。（伏安法）

（2）如果有歐姆表，我們可以直接進(jìn)行粗略的測(cè)量R。

（3）利用電橋的方法。當(dāng)靈敏電流計(jì)讀數(shù)為零時(shí)，電橋平衡，利用定值電阻與可調(diào)電阻的比值求解R。

（4）利用替換的方法測(cè)量。利用精確的電阻箱來替換待測(cè)電阻，回路電流不變，則電阻箱的讀數(shù)為R。

（5）利用半偏法來測(cè)量。

2.選擇方案，簡(jiǎn)便精確

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？一般來說，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。

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中應(yīng)將以上三原則進(jìn)行綜合考慮。在前述方案中：

方案（1）是常用的測(cè)電阻方法誤差較小，器材易置備；

方案（2）測(cè)量的誤差較大；

方案（3）測(cè)量的精確度高，器材的置備要難一些；

方案（4）測(cè)量的精確度比較高，測(cè)量時(shí)操作很簡(jiǎn)單，涉及電路的知識(shí)較少，高中物理需要考查的重要器材使用較少；

方案（5）測(cè)量的精確度不太高，對(duì)待測(cè)電阻阻值大小有較高要求，否則誤差很大。器材也不太好置備。

綜上所述，中學(xué)階段通常采用伏安法來測(cè)量金屬電阻R。

3.依據(jù)方案，選定器材

實(shí)驗(yàn)方案選定之后，考慮該方案需要哪些裝置，被測(cè)物理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(cè)定、這些物理量的精確度如何等等，從而確定整個(gè)實(shí)驗(yàn)需要哪些器材。

在“用伏安法測(cè)量金屬電阻”的實(shí)驗(yàn)中，是利用安培表的內(nèi)接或外接來測(cè)量，利用滑動(dòng)變阻器的分壓或限流來控制。故需安培表、伏特表、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)、導(dǎo)線、電源等。金屬導(dǎo)體的電阻可表示為R=，電壓用伏特表測(cè)定；電流用安培表測(cè)定。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)誤差降到最小。如上述器材中，為了便于讀數(shù)準(zhǔn)確，兩只電表應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)牧砍?。為了便于操作，滑?dòng)變阻器的最大電阻應(yīng)大小合適。

4.擬定步驟，合理有序

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“用伏安法測(cè)量金屬電阻”的實(shí)驗(yàn)中。原理表達(dá)式R=中的U和I分別為導(dǎo)體兩端的電壓和通過導(dǎo)體的電流。因此應(yīng)先組裝電路（組裝時(shí)應(yīng)根據(jù)R、安培表內(nèi)阻、伏特表內(nèi)阻三者的關(guān)系選擇安培表內(nèi)接還是外接；應(yīng)根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)的要求確定滑動(dòng)變阻器是采用分壓還是限流），再測(cè)定U和I。根據(jù)所測(cè)得數(shù)據(jù)計(jì)算出金屬的電阻R的值。至于過程細(xì)節(jié)不再贅述。

5.數(shù)據(jù)處理，誤差分析

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。要認(rèn)真分析實(shí)驗(yàn)誤差的來源，是由那些器材引起的，是系統(tǒng)誤差還是偶然誤差，如何才能盡量減少絕對(duì)誤差。還要了解相對(duì)誤差，我們?yōu)榱藴p小相對(duì)誤差，常采用多次測(cè)量取平均值的辦法，很多時(shí)候我們還運(yùn)用圖象來輔助處理數(shù)據(jù)，精確度更高一些。

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)造能力的新世紀(jì)人才，即需中學(xué)教育工作者的切實(shí)努力，也需全國高考的積極正確導(dǎo)向。

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