高中物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

張先德

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，物理實(shí)驗(yàn)是高中物理教學(xué)中的重要內(nèi)容，在教學(xué)中應(yīng)重視學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的理解，重視學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的提高，使學(xué)生正確使用物理實(shí)驗(yàn)儀器和工具，獲得較準(zhǔn)確地信息，并會處理數(shù)據(jù)、分析誤差、歸納結(jié)論，提高應(yīng)試技巧.

現(xiàn)結(jié)合自己的教學(xué)總結(jié)如下.

1 物理實(shí)驗(yàn)的目的與要求

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）教會學(xué)生用實(shí)驗(yàn)研究物理現(xiàn)象與規(guī)律，包括：A.正確選擇實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)器材；B.學(xué)會控制實(shí)驗(yàn)條件；C.知道如何實(shí)驗(yàn)、判斷結(jié)果的可靠程度.

（2）幫助學(xué)生理解和掌握有關(guān)課程內(nèi)容和物理概念，以形成物理思想，培養(yǎng)解決物理問題的能力.

（3）通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)掌握基本物理量的測量方法，以培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)技能.

（4）培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度、科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法及良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣.

1.2 做好實(shí)驗(yàn)的基本要求

（1）實(shí)驗(yàn)前必須做好如下準(zhǔn)備：①明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模畬?shí)驗(yàn)原理；②了解儀器性能，熟悉操作步驟；③設(shè)計(jì)記錄表格，掌握注意事項(xiàng).

（2）實(shí)驗(yàn)中必須手腦并用：①正確的調(diào)整和使用實(shí)驗(yàn)儀器；②保證滿足實(shí)驗(yàn)條件，注意規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作；③認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并記錄數(shù)據(jù).

（3）實(shí)驗(yàn)后必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：①尊重實(shí)驗(yàn)客觀事實(shí)，正確分析記錄數(shù)據(jù)；②合理做出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告.

2 實(shí)驗(yàn)的七種主要思想

（1）控制變量法：在實(shí)驗(yàn)中，常有多個因素在變化，造成規(guī)律不易表現(xiàn)出來，這時可以先控制一些物理量不變，依次研究某一個因素的影響和利用.如牛頓第二定律就是用這種方法研究的.

（2）等效替代法： 某些物理量不直觀或不易測量，可以用較直觀、較易測量而且又有等效效果的量代替，從而簡化問題.如在描繪電場中的等勢線時，用電流場來模擬靜電場等都用了等效思想.

（3）累積法： 把某些難以用常規(guī)儀器直接準(zhǔn)確測量的物理量用累積的方法，將小量變大量，不僅可以便于測量，而且還可以提高測量的準(zhǔn)確程度，減小誤差.如分析打點(diǎn)計(jì)時器打出的紙帶時，可隔幾個點(diǎn)找出計(jì)數(shù)點(diǎn)分析；測量單擺的周期時，可測30-50個全振動的時間.

（4）留跡法： 有些物理過程是瞬息即逝的，我們需要將其記錄下來研究，如同攝像機(jī)一樣拍攝下來分析.如用沙擺描繪單擺的振動曲線；用打點(diǎn)計(jì)時器記錄物體位置；用頻閃照相機(jī)拍攝平拋的小球位置等.

（5）外推法： 有些物理量可以局部觀察或測量，作為它的極端情況，不易直接觀測，如果把這局部觀察測量得到的規(guī)律外推到極端，可以達(dá)到目的.例如在測電源電動勢和內(nèi)電阻的實(shí)驗(yàn)中，無法直接測量I=0（斷路）時的路端電壓（電動勢）和短路（U=0）時的電流，通過一系列U、I對應(yīng)值點(diǎn)畫出直線并向兩方延伸，交U軸點(diǎn)為電動勢，交I軸點(diǎn)為短路電流.

（6）近似法： 在復(fù)雜的物理現(xiàn)象和物體運(yùn)動中，影響物理量的因素較多，有時為了突出主要矛盾，可以有意識的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件、忽略次要因素的影響，用近似量當(dāng)成真實(shí)量進(jìn)行測量.

（7）放大法 ：對于物理實(shí)驗(yàn)中微小量或小變化的觀察，可采用放大的方法.例如游標(biāo)卡尺、放大鏡、顯微鏡等儀器都是按放大原理制成的.

3 基本測量和讀數(shù)規(guī)則

3.1 基本測量

（1）長度的測量： 儀器有刻度尺、游標(biāo)卡尺、螺旋測微器.

（2）時間的測量： 儀器主要是打點(diǎn)計(jì)時器和停表.

（3）質(zhì)量的測量： 儀器是天平.

（4）電路的測量：電流、電阻、電壓等是直流電路中重要的物理量，也是考查幾率很高的內(nèi)容，要學(xué)會這些表的連接、量程的選擇、讀數(shù)及構(gòu)造原理.

（5）其它物理量的測量 ：溫度、體積等的測量，都以長度測量為基礎(chǔ).

3.2 測量儀器的讀數(shù)規(guī)則

在直接測量中讀出的測量值的有效數(shù)字的最后一位要與讀數(shù)誤差所在的一位取齊，因而測量儀器讀數(shù)規(guī)則為：測量誤差出現(xiàn)在哪一位，讀數(shù)就應(yīng)相應(yīng)讀到哪一位.在中學(xué)階段一般可根據(jù)測量儀器的最小分度來確定讀數(shù)誤差出現(xiàn)的位置.對于常用的儀器可按下述方法讀數(shù)：

（1）最小分度是“1”的儀器，測量誤差出現(xiàn)在下一位，下一位按十分之一估讀.如最小刻度是1 mm的刻度尺，測量誤差出現(xiàn)在毫米的十分位上，估讀到十分之幾毫米.

（2）最小分度是“2”或“5”的儀器，測量誤差出現(xiàn)在同一位上，同一位分別按二分之一或五分之一估讀.如學(xué)生用的電流表0.6 A量程，最小分度為0.02 A，誤差出現(xiàn)在安培的百分位，只讀到安培的百分位，估讀半小格，不足半小格的舍去，超過半小格的估讀，以安培為單位讀數(shù)時，百分位上的數(shù)字可能為0、1、2、…、9；學(xué)生用的電壓表為15 V量程，最小分度為0.5 V，測量誤差出現(xiàn)在伏特的十分位上，只估讀到伏特的十分位，估讀五分之幾小格，以伏特為單位讀數(shù)時，十分位上的數(shù)字可能為0、1、2、…、9.

（3）下列儀器在最小分度間不進(jìn)行估讀：游標(biāo)卡尺只要求讀數(shù)是游標(biāo)最小分度值的整數(shù)倍；液體溫度計(jì)讀數(shù)為1℃的整數(shù)倍即可；體溫計(jì)讀數(shù)應(yīng)是0.1 ℃的整數(shù)倍；機(jī)械秒表和指針式電子秒表在最小分度間不進(jìn)行估讀；歐姆表一般不要求估讀，指針靠近哪條刻線，就讀哪條刻線的數(shù)值.

4 有效數(shù)字和數(shù)據(jù)處理

4.1 有效數(shù)字

帶有一位不可靠數(shù)字的近似數(shù)據(jù)叫有效數(shù)據(jù)，有效數(shù)字的最后一位是測量者估讀出來的，因此這一位數(shù)字是不可靠的，也是誤差所在位.

計(jì)算中遵守有效數(shù)字規(guī)則：

（1）不可靠數(shù)字與別的數(shù)相加減、相乘除，所得的結(jié)果也是不可靠的.

（2）計(jì)算結(jié)果只能保留一位不可靠數(shù)字，但在計(jì)算過程中，可以保留兩位不可靠數(shù)字，最后再四舍五入.

（3）物體的個數(shù)、實(shí)驗(yàn)的次數(shù)是準(zhǔn)確數(shù)，它們與近似數(shù)相乘除時，有效數(shù)字的位數(shù)應(yīng)等于原來近似數(shù)的有效數(shù)字位數(shù).

有效數(shù)字的位數(shù)是從左起第一位非零數(shù)字算起到最后一位數(shù)字（含零）的總位數(shù)，其最后一位即不可靠數(shù)字，是估讀得到的.

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)常用的處理方法

4.2.1 直接比較法

中學(xué)物理的某些實(shí)驗(yàn)，只需通過定性的確定物理量間的關(guān)系，或?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值相比較，就可得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論的，則可應(yīng)用直接比較法.如探究“力的平行四邊形定則”實(shí)驗(yàn)中，可直接比較實(shí)驗(yàn)中的測量值與理論值，比較兩矢量的大小和方向，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

4.2.2 描跡法

描跡可形象直觀地直接反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果.如在“研究平拋物體的運(yùn)動”實(shí)驗(yàn)中，用描跡法直接描繪小球的運(yùn)動軌跡.應(yīng)用描跡法時應(yīng)注意：

（1）所描出的曲線或直線應(yīng)是平滑的，不應(yīng)有突然的轉(zhuǎn)折.

（2）個別點(diǎn)若偏離所描出的曲線太遠(yuǎn)，可認(rèn)為是某種偶然因素所致，一般可將這樣的點(diǎn)舍去.

（3）為能較為準(zhǔn)確地描述所記錄的曲線，實(shí)驗(yàn)所記錄的點(diǎn)的總數(shù)不能太少，且應(yīng)在所描范圍內(nèi)大致均勻分布.

4.2.3 平均法

取算術(shù)平均值是減小偶然誤差常用的數(shù)據(jù)處理方法，把待測物理量的若干次測量結(jié)果值相加后除以測量次數(shù).平均法的基本原理是：在多次測量中，由偶然誤差引起的正、負(fù)偏差出現(xiàn)的機(jī)會相等.故將多次的測量值相加時，所有偏差的代數(shù)和為零.在求平均值時應(yīng)注意在什么情況下求平均值.

4.2.4 列表法

把被測物理量分類列表表示出來，需說明記錄表的要求，主要內(nèi)容.列表法有制表方便，形式緊湊，數(shù)據(jù)易于比較等優(yōu)點(diǎn).列表法還常常是圖表法的基礎(chǔ).列表法應(yīng)注意：（1）項(xiàng)目應(yīng)包括名稱及單位；（2）實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)應(yīng)按測量結(jié)果，取恰當(dāng)?shù)挠行?shù)字填入；（3）自變量應(yīng)按逐漸增加或減小的順序排列.

4.2.5 圖象法

建立合理的坐標(biāo)系，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為坐標(biāo)點(diǎn)在坐標(biāo)系中表示出來，尋找坐標(biāo)點(diǎn)之間的規(guī)律，作圖處理數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是直觀、明顯.由圖象的斜率、截距、包圍的面積、外推可以研究物理量之間的規(guī)律.

作圖象時應(yīng)注意以下幾個方面：

（1）坐標(biāo)軸代表的物理量要合理，這樣便于找出規(guī)律，一般多選用直線作圖線，因?yàn)橹本€明了直觀，而曲線的規(guī)律不易判定.在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，常取x或 1/x 為自變量，以便使做出的函數(shù)圖象為直線，從而可直觀的得出變量間的函數(shù)關(guān)系.在“測電池電動勢和內(nèi)阻”的實(shí)驗(yàn)中，以I為自變量作U-I圖象；當(dāng)函數(shù)與自變量x成反比例時，常以 1/x 為自變量.

（2）坐標(biāo)建立要規(guī)范，坐標(biāo)軸上要標(biāo)明物理量，對應(yīng)單位，注意正確選取橫軸和縱軸的標(biāo)度，橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的比例以及坐標(biāo)起點(diǎn)，使所做出的圖象大致布滿整個圖紙.如在“測電池電動勢和內(nèi)阻”的實(shí)驗(yàn)中，縱坐標(biāo)U的起點(diǎn)可以不為零.

（3）選點(diǎn)要恰當(dāng)，作圖要規(guī)范，直線至少取5點(diǎn)，曲線10～15點(diǎn)，且在曲線彎曲處取點(diǎn)密集一些；對直線作圖，應(yīng)使直線通過盡可能多的點(diǎn)，不通過的點(diǎn)應(yīng)均勻分布在直線兩側(cè)；對曲線作圖要平滑，不能做成折線，對于有些特異性的點(diǎn)可以分析取舍.

（4）根據(jù)圖象分析圖線的斜率、截距等物理意義，計(jì)算斜率時應(yīng)選取直線上相距較遠(yuǎn)的兩點(diǎn)，而不一定要選取原來的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這樣便于取得更精確的平均值.

5 實(shí)驗(yàn)誤差及其處理

5.1 誤差是測量值與真實(shí)值之間的差異

誤差不是錯誤，測量時誤差是不可避免的.

真實(shí)值：是指被測物理量在規(guī)定的時間和空間內(nèi)的客觀大小，即物理量的真實(shí)值.實(shí)驗(yàn)中真實(shí)值是得不到的，通常用多次測量的算術(shù)平均值來代替真實(shí)值，且測量次數(shù)越多，平均值就越接近真實(shí)值.

測量值：由測量儀器直接讀出的物理量的數(shù)值或?qū)y量數(shù)據(jù)直接代入公式計(jì)算出來的物理量的數(shù)值.

5.2 從誤差來源看，誤差可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差

（1）系統(tǒng)誤差主要是由于實(shí)驗(yàn)原理不夠完善、實(shí)驗(yàn)儀器精度不夠、實(shí)驗(yàn)方法粗略而產(chǎn)生的.基本特點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果對真實(shí)值的偏差總是具有相同的傾向性，即總是偏小或偏大.減小方法：改善實(shí)驗(yàn)原理，提高實(shí)驗(yàn)儀器的測量精度，設(shè)計(jì)更精巧的實(shí)驗(yàn)方法.

（2）偶然誤差是由于各種偶然因素對實(shí)驗(yàn)者和實(shí)驗(yàn)儀器的影響而產(chǎn)生的，如測量環(huán)境不穩(wěn)定、實(shí)驗(yàn)者的經(jīng)驗(yàn)不足.特點(diǎn)：總是有時偏大，有時偏小，且偏大和偏小的機(jī)會相等.減小方法：多次實(shí)驗(yàn)取平均值.

5.3 從數(shù)據(jù)分析看，誤差分為絕對誤差和相對誤差

（1）絕對誤差是測量值與真實(shí)值之差.在直接用儀器測量某一物理量時，提高測量儀器的精度是減小絕對誤差的重要方法；

（2）相對誤差誤差等于絕對誤差與真實(shí)值之比，常用百分比表示，反映了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確程度.在難以減小絕對誤差時，增大真實(shí)值是減小相對誤差的簡易而有效的方法.

5.4 減小誤差的方法

（1）校準(zhǔn)測量儀器.如電流表、電壓表，使用前應(yīng)先進(jìn)行調(diào)零校準(zhǔn)；

（2）恰當(dāng)選擇儀器的量程和精確度；

（3）完善實(shí)驗(yàn)原理；

（4）進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，求其平均值；

（5）以圖象法代替公式法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

（6）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法.