中学物理实验教学与应试策略

张金义

近年来高考对物理实验的考查已基本成型,分值约占17到21分,充分体现了中学物理实验的重要性。考查内容已从简单的重复性(或记忆型)转化到了能力考核上,对中学物理实验教学来说,课程标准中明确指出“实验能力是指在理解的基础上独立完成20个基本学生实验,会正确使用这些实验中所使用过的仪器进行测量观察,会观察分析实验中的现象,能应用数学知识处理实验数据并得出结论等。许多学生和教师在实验学习和教学中都存在一些误区,或简单重复实验步骤、实验操作;或孤立记忆实验结论或实验要求;或沿用课本上给定的方法处理数据等。另外众多的复习资料中虽然也逐一例举了每个实验的步骤、方法、结论,都针对某个具体实验展开一些讨论,提出了注意事项和误差原因,但都不够全面,都没有给出全面而系统的指导方向和备考策略,没有真正领悟教材的意图。这种教学既不符合物理实验教学的要求,也不利于提高学生应对高考实验能力的考查,更不利于培养学生的创新能力。

物理学本身就是一门实验科学,许多重要的物理规律都建立在实验的基础上,没有可靠的实验为依据就没有物理学的发展。人类物理学的发展就是人们不断的观察现象、分析本质、总结规律从而设计实验,改进实验,分析实验的历史。事实上,每一次物理实验上的重大突破,都能使物理学有一次质的飞跃。就中学物理学所涉及到的史实有:引力恒量的测定既证明了万有引力的存在又使万有引力有了实用价值;杨氏干涉实验为光的波动性提供了有力证据;光电效应又证明了光的粒子性;动量守恒定律的建立为研究微观粒子的运动提供了理论上的武器;α粒子散射实验帮助人们认识了原子的核式结构,叩开了微观领域的大门;牛顿对射散现象的研究,使人们认识了自然光的成分,弄清了自然界五彩斑斓的原因;通过观察氢光谱使人们了解了原子的跃迁和能级,进而有了光谱分析的应用;质谱仪的发明为分析同位素提供了称量的工具;回旋加速器将人们从研究领域带入了微观高速世界……物理学的前沿仍然是在寻找实验数据来解释万有引力的的本质,并试图建立大统一理论。

因此,中学生学习物理学,首先要明确物理实验的重要性;其次要培养善于观察实验现象,分析事物本质的物理品质;再次要通过学习教材中规定的学生实验,掌握物理实验中所涉及到实验仪器的使用、计数、观察和读数,尽可能学会用常规仪器进行直接测量或间接测量,以达到看似不可能完成的测量;掌握实验中所隐含的实验思想、实验数据的处理方法以及误差分析方法,培养学生必备的物理实验能力和实验技能。正是缘于上述原因,在中学物理教材中规定了20个经典物理实验,有的重在介绍仪器的使用;有的重在培养观察能力;有的重在介绍数据处理方法;有的强调动手能力,验证物理结论;有的重在培养实验技能;有的要求分析误差产生的原因等。旨在要求中学生掌握中学物理实验范围内常用仪器的使用,会分析观察实验现象,掌握一些简单的实验方法,会应用所有的知识分析处理实验数据并得出实验结论,培养学生必备的物理实验技能,为今后的发展奠定坚实的基础。因此,笔者结合多年的教学经验,仔细研究高考考纲的要求和近年来高考中出现的实验考查题型,针对中学物理实验提出以下六个方面的应试策略:

一、掌握实验中所使用过仪器的原理、构造、使用方法及读数,掌握不同实验中仪器的选择

即了解每一种仪器的构造、原理、调整和读数,如常用测量工具游标卡尺、螺旋测微器、秒表、电压表、电流表的读数方法;打点计时器的结构及工作原理;示波器各旋钮的功能和作用,万用表使用时的调零和欧姆档量程的选择。学会合理选择仪器,不同的测量对象选择不同精度的仪器。

二、分析弄清实验原理的合理性

物理实验的合理性是指既要符合实际,同时还能在现有的条件下实施该方案,并能使实验结果接近真实值。如:验证力的平行四边形法则中选用橡皮条;打点计时器时间间隔为0.02秒是缘于交流电的频率为50赫兹;确定匀变速纸带的瞬时速度和加速度是根据匀变速运动的规律;测金属电阻率的实验中只需测金属丝的电阻、长度和直径,是根据间接测量法;测电流表的内阻采用半偏法是利用了并联电路等值均分电流的特点;验证机械能守恒实验中选取第一二两点的距离接近2mm,是因为自由落体在2秒内的位移为1.96毫米(g=9.8);测定电池的电动势和内阻是根据闭合电路欧姆定律;电场中等势线描绘实验中,利用了电流场来模拟静电场。通过这些合理性分析弄清其合理性都来源于正确的理论指导,从而明确理论指导实验,实验验证理论的关系。

三、体会实验方法的科学性

如验证力的平行四边形法则中体现了合力与分力的等效思想;油膜法测分子直径实验中体现了用宏观量测微观量;金属电阻率实验中体现了间接测量法;描绘小灯泡伏安特性曲线实验中通过实验数据再现了金属电阻率随温度升高而增大的特性;此外电学实验中分压式和限流式接法的选择;为什么用单摆测重力加速度而不用自由落体?电场中等势线的描绘实验中,基准点为什么等分为5个?为什么引入图像法对数据进行处理?用油膜法测分子直径实验中,为什么用油酸酒精溶液而不用纯油酸?在验证动量守恒实验中,为什么不用测定时间而只需测定小球的水平射程?伏安法测电阻中,为什么要对电流表进行内外接法的选择等,都体现了实验方法的科学性。

四、认真分析实验步骤,弄清它们的可操作性

在具体每一个实验中,对包括实验步骤的先后顺序,安装、拆解仪器的顺序,测量物理量的先后顺序等都要弄清。使用打点计时器计时时,一定要先通电后让纸带运动,验证动量守恒实验中需先测量小球的质量,后开始碰撞;利用单摆测量重力加速度实验中,需要先组装单摆后测摆长和半径;半偏法测电流表内阻中,先闭合开关S1,调整电位器使电流表指针到满刻度,再闭合开关S2,调整电阻箱使电流表指针至满刻度的一半;串联式限流电路闭合开关前,需要求滑动变阻器阻值处于最大;测定玻璃折射率中,首先确定入射线,然后通过出射线确定玻璃中的折射线。上述实验操作都是围绕实验目的开展的,要逐个领悟到实际中的可操作性。

五、针对实验目的,认真分析每一个实验,弄清控制实验条件的必要性

在实验过程中适时控制一些必要条件,目的在于还原事实真相,揭示事物变化的本质,减少不必要的误差。这既有利于培养学生的科学创新精神,又利于减少实验误差。如:测定单摆周期时,要求摆角很小,摆线适当长一些且从最低点开始计时;验证动量守恒定律实验中,要求入射小球的质量大于被碰小球的质量;研究平抛运动中,斜槽末端保持切线水平,且运动小球每次要从同一位置由静止释放,Y轴的确定要依据重垂线;油膜法测分子直径实验中,配制好的油酸溶液不能放置时间太长;半偏法测内阻中,要求串入电路中的可变电阻(电位器)值远大于电流表内阻且要求电源电动势选用较大的;另外测定玻璃折射率实验中,入射角选取要适当,玻璃砖不能太薄,两大头针位置适当远一些;用双缝干涉测定光的波长实验中,要保持光线的同轴共线,单缝和双缝要保持平行;验证牛顿第二定律实验中,要求小车质量远大于勾码质量等。滑动变阻器在电路中串联和并联接法的依据,都是根据给定器材和实验对象对客观条件的控制。

六、分析控制实验的条件,设法提高实验的精确性

对每一个实验的数据和实验结论,要分析其产生误差的原因,探寻减小误差的方法,分析其测量值与真实值的差异,如:半偏法中电表内阻的测量值小于真实值;单摆周期的测定中,要测量30次全振动的时间,而不是测一次;影响重力加速度测量值的最大因素是单摆周期的测定过程;测电池电动势和内阻实验中,采用图像法处理有利于减小偶然误差;精确长度的测量需精密的仪器,如电阻丝直径的测定要选用螺旋测微器;内接法测量值大于真实值,外接法测量值小于真实值;欧姆表测定电阻时电池电动势减小会导致测量值偏大;验证机械能守恒实验中,由于阻力的作用,实际结果是重力势能的减少略大于动能的增加等。

此外,中学物理电学实验中电学仪器的选择和电路的选择是普遍公认的难点和高考的热点,为此将电路的选择归纳为三原则(见下表)。针对不同的实验对象和实验要求仔细体会电路中的三原则,相互比较,逐步领会和掌握,以达到根据实验器材和实验目的设计实验电路的本领。

总之,中学物理实验教学不是简单重复课本实验,背诵实验方法和步骤。由于受客观条件的限制,现阶段高考对实验的考查只停留在笔答的形式,故在实验教学中要紧密围绕实验目的,培养学生分析现象,探寻本质的思维品质;针对实验目的,设计实验过程,改进实验方法的本领;掌握处理实验数据,分析误差原因,控制实验条件,总结实验结论等物理实验思想,从而掌握常用实验方法和实验技能,这也是高考实验考查的目的,同时也只有从上述几方面去研究分析每一个实验,通过这些有限实验的分析和研究,掌握物理实验的基本思想、方法和技能,才能更好的应对高考对实验的考查。