高中物理实验中的研究方法

郭法保

实验,是自然科学研究的重要方法,也是自然学科教学的重要手段,实验能力是高考物理学科要考核的五个能力之一。 据对90 ～97 年高考试题统计,八年实验总分平均占14。25%,略高于考纲的规定。近年来高考对学生的实验能力提出了更高层次的要求:对实验的考查己从简单的背诵实验转向考查对实验的思想、方法和原理的理解以及应用的层次。特别是“3+X”考试科目设置改革,其测试重点是考查学生对所学知识的理解、掌握和运用,因此实验题对实验能力考核要求更高,设计性实验也在所难免。因此,搞好高中物理实验的复习,摸清实验中的研究方法也就至关重要。结合大纲,物理实验教学中有以下八条实验中的研究方法。

一、理想化法

影响物理现象的因素往往复杂多变,实验中常可采用忽略某些次要因素或假设一些理想条件的办法,以突出现象的本质因素,便于深入研究,从而取得实际情况下合理的近似结果(通俗他说就是抓大放小)。例如在《用单摆测定重力加速度》的实验中,假设悬线不可伸长,悬点的摩擦和小球在摆动过程的空气阻力不计;在电学实验中把电压表变成内阻是无穷大的理想电压表,电流表变成内阻等于0的理想电流表等等实际都采用了理想化法。

二、平衡法

“物理学中常常利用一个量的作用与另一个(或几个)量的作用相同、相当或相反来设计实验,制作仪器,进行测量。例如测量中的基本工具弹簧秤的设计是利用了力的平衡,天平的设计是根据力矩的平衡;温度计是利用了热的平衡。

三、放大法

“在现象、变化、待测物理量十分微小的情况下,往往采用放大法。根据实验的性质和放大对象的不同,放大所使用的物理方法也各异。例如:在《测定金属电阻率》实验中所便用的螺旋测微器:主尺上前进(或后退)0.5毫米,对应副尺上有5n个等分,实际上是对长度的机械放大;许多电表如电流表、电压表是利用一根较长的指针把通电后线圈的偏转角显示出来。又比如在《卡文迪许扭实验》,其测定万有引力恒量的思路最后转移到光点的移动(跟“库仑静电力扭枰实验一样),都是将微小形变放大方法的具体应用。

四、累积法

将微小量累积后测量求平均的方法,能减小相对误差。实验中也经常涉及这一方法。例如,在《用单摆测定重力加速度》实验中,需要测定单摆周期,用秒表测一次全振动的时间误差很大,于是采用测量30-50次全振动的时间T,从而求出单摆的周期T=t/n(n为全振动次数)。又如在《测定金属电阻率》的实验中,若没有螺旋测微器时,也可把金属在铅笔上密绕若干圈,由线圈总长度来测出金属丝的直径。”

五、转换法

某些物理量不容易直接测量,或某些现象直接显示有困难,可以采取把所要观测的变量转换成其它变量(力、热、声、光、电等物理量)的相互转换进行间接观察和测量,这就是转换法,还是以卡文迪许《利用扭秤装置测定万有引力恒量实验》为例:其基本的思维方法便是等效转换。卡文迪许扭秤发生扭转后,引力对T 形架的扭转力矩与石英丝由于弹性形变产主的扭转力矩这就是等效转换,间接地达到了无法达到的目的。本实验中转换法还应用于石英丝扭转角度的测量上,这个角度不是直接测出的,而是利用平面镜反射光在刻度尺上移动的距离间接测出的。转换法是一种较高层次的思维方法。是对事物本质深刻认识的基础上才产生的一种飞跃。如变曲为直实际上就是该方法的应用。

六、控制变量法

在高中物理中的许多实验,往往存在着多种变化的因素,为了研究它们之间的关系可以先控制一些量不变,依次研究某一个因素的影响。最典型的例子是《验证牛顿第二运动定律》的实验,我们研究的方法是:先保持物体的质量一定,研究加速度与力的关系:再保持力不变研究加速度与质量的关系,最后综合得出物体的加速度与它受到的合外力及物体质量之间的关系。当然本实验还涉及到各种系统误差的产生,限于篇幅不再赘述。

七、留迹法

有些物理现象瞬间即逝,如运动物体所处的位置,轨迹或图像等,设法记录下来,以便从容地测量、比较和研究。例如:在《测定匀变速直线运动的加速度》、,《验证牛顿第二运动定律》、《验证机械能守恒定律》等实验中,就是通过纸带上打出的点记录下小车(或重物)在不同时刻的位置,(位移)及所对应的时刻,从而可从容计算小车在各个位置或时刻的速度并求出加速度;对于简谐运动,则是通过摆动的漏斗漏出的细沙落在匀速拉动的硬纸板上而记录下各个时刻摆的位置,从而很方便地研究简谐运动的图像;又如利用闪光照相记录自由落体运动的轨迹等实际。都采用了留迹法。

八、模拟法

有时受客观条件限制,不能对某些物理现象送行直接实验和测量,于是就人为地创造一定的模拟条件,在这样模拟的条件下进行实验。例如在《电场中等势线的描绘》实验中,因为对静电场直接测量很困难,故采用易测量的电流场来模拟。

此外在高中物理实验中还有比较法、替代法、补偿法等。

由于高考内容日趋拓宽求深,知识交叉部分(特别实行理综考试)越来越多,能力要求也就更加突出。所以迫切需要摒弃“实验无关紧要”、“讲比做好”等错误观念,认真领悟真实验中的思想方法,只有这样,才能切实抓好实验教学工作。