高中物理实验的常用方法

肖鹏

【摘 要】 物理学是一门以实验为基础的科学。所有的物理知识，包括物理概念、定律和理论，都是在实验的基础上建立起来的。因此，培养学生的实验设计技能，了解物理学的研究方法，培养严格的实事求是的科学态度，对学生今后搞科学实验和技术革新有重要的基础作用。这就是当前我们贯彻和实施素质教育，提高学生实验设计素质、实验创新能力的正确教育思想。

【关键词】实验设计；实验方案；相对误差

物理学是一门以观察和实验为基础的实验科学，而我们目前的高中物理教学，基本上是停留在关于物理学知识系统的归纳和理论体系的阐述上，就连物理实验本身的教学，也是按教材的分析按部就班地进行纯理论的讲解。其弊端是显而易见的——学生的实验能力不能得到有效地提高，对实验的设计无从下手。对于教材已有的实验还可以应付，但教材以外的一些拓展延伸就很难说了。

一、实验设计教学的必要性

今年在我校高三复习的一次物理测试中有这样一个题：“某同学利用刻度尺、一支刻度很模糊的弹簧秤、书本粗略测出了书与桌面间的动摩擦因数，请写出实验的步骤以及计算的表达式。”我们发现有将近百分之八十的同学不能完成。这已经是非常简单的设计实验题目了，由此可见我们学生的实验设计能力之差。无论命题者出于何种考虑，设计型实验已经是考察的重点，因此我们每个物理教学工作者都应该更加的重视，有必要在实验设计的教学中多花些精力。

二、实验设计的基本方法

1.明确目的，广泛联系

题目或课题要求测定什么物理量，或要求验证、探索什么规律，这是实验的目的，是实验设计的出发点。实验目的明确后，应用所学知识，广泛联系，看看该物理量或物理规律在哪些内容中出现过，与哪些物理现象有关，与哪些物理量有直接的联系。对于测量型实验，被测量通过什么规律需用哪些物理量来定量地表示（如要测量物质的密度ρ，会联系到物质的体积V和质量M，利用他们的定量规律）；对于验证型实验，在相应的物理现象中，有怎样的定量关系成立，才能达到验证规律的目的（如要验证机械能守恒中，要确立的定量关系为：在某段时间内减少的重力势能等于增加的动能即）；对于探索型实验，在相应的物理现象中，涉及哪些物理量……这些都是应首先分析的。

举例来说，要测定金属导体的电阻，我们就应检索：在所学知识范围内，哪些内容涉及到金属导体的电阻，它与其他物理量有何定量关系，并一一罗列出来：

（1）由部分电路的欧姆定律可得，R=。如果在电路中我们测出导体两端的电压和通过导体的电流，我们就可以得到R。（伏安法）

（2）如果有欧姆表，我们可以直接进行粗略的测量R。

（3）利用电桥的方法。当灵敏电流计读数为零时，电桥平衡，利用定值电阻与可调电阻的比值求解R。

（4）利用替换的方法测量。利用精确的电阻箱来替换待测电阻，回路电流不变，则电阻箱的读数为R。

（5）利用半偏法来测量。

2.选择方案，简便精确

对于每一个实验目标，都可能存在多条思路、多种方案。教材中关于某个实验目标的实验方案，也只是众多方案中的一种，而且不一定是最好的一种，而只是较可行的一种。那么在众多实验方案中，我们应如何选择呢？一般来说，选择实验方案主要有三条原则：

（1）简便性原则，即要求所选方案原理简单、操作简便，各量易测。应尽量避免实施那些原理复杂、操作繁琐和被测量不易直接测量的实验方案。

（2）可行性原则，实验方案的实施要安全可靠，不会对人身和器材造成危害；所需装置和器材要易于置备，不能脱离实际，不能超出现有条件。

（3）精确性原则，不同的实验方案，其实验原理、所用仪器以及实验重复性等方面所引入的误差是不同的。在选择方案时，应对各种可能的方案进行初步的误差分析，尽可能选用精确度高的实验方案。

我们在实验中应将以上三原则进行综合考虑。在前述方案中：

方案（1）是常用的测电阻方法误差较小，器材易置备；

方案（2）测量的误差较大；

方案（3）测量的精确度高，器材的置备要难一些；

方案（4）测量的精确度比较高，测量时操作很简单，涉及电路的知识较少，高中物理需要考查的重要器材使用较少；

方案（5）测量的精确度不太高，对待测电阻阻值大小有较高要求，否则误差很大。器材也不太好置备。

综上所述，中学阶段通常采用伏安法来测量金属电阻R。

3.依据方案，选定器材

实验方案选定之后，考虑该方案需要哪些装置，被测物理量与哪些物理量有直接的定量关系，这些物理量分别需用什么仪器来测定、这些物理量的精确度如何等等，从而确定整个实验需要哪些器材。

在“用伏安法测量金属电阻”的实验中，是利用安培表的内接或外接来测量，利用滑动变阻器的分压或限流来控制。故需安培表、伏特表、滑动变阻器、开关、导线、电源等。金属导体的电阻可表示为R=，电压用伏特表测定；电流用安培表测定。当然，从实验方便性和精确性角度考虑，还需对所选器材作进一步要求，以期把系统误差降到最小。如上述器材中，为了便于读数准确，两只电表应选择恰当的量程。为了便于操作，滑动变阻器的最大电阻应大小合适。

4.拟定步骤，合理有序

实验之前，要做到心中有数：如何组装器材，哪些量先测，哪些量后测，应从正确操作和提高效率的角度拟定一个合理而有序的实验步骤。对一些可直接测量的物理量，可先行测量；对需通过实验装置才能测定的物理量，须先组装器材，再进行实验、观察和测量。

在“用伏安法测量金属电阻”的实验中。原理表达式R=中的U和I分别为导体两端的电压和通过导体的电流。因此应先组装电路（组装时应根据R、安培表内阻、伏特表内阻三者的关系选择安培表内接还是外接；应根据测量数据的要求确定滑动变阻器是采用分压还是限流），再测定U和I。根据所测得数据计算出金属的电阻R的值。至于过程细节不再赘述。

5.数据处理，误差分析

高考对此要求不高，但常用的数据处理和误差分析的方法还是应该掌握，在设计实验时也应予考虑。要认真分析实验误差的来源，是由那些器材引起的，是系统误差还是偶然误差，如何才能尽量减少绝对误差。还要了解相对误差，我们为了减小相对误差，常采用多次测量取平均值的办法，很多时候我们还运用图象来辅助处理数据，精确度更高一些。

总而言之，要改善中学物理教学现状，培养思想活跃、有创新精神和创造能力的新世纪人才，即需中学教育工作者的切实努力，也需全国高考的积极正确导向。

【参考文献】

[1]郭奕玲，沈慧君.物理学史[M].清华大学出版社，1993.

[2]人民教育出版社物理室.高级中学课本《物理》（选修）[M].人民教育出版社，1993.

[3]许国梁等.中学物理教学法[M].高等教育出版社，1996.

[4]人民教育出版社物理室.全日制普通中学教科书（必修加选修）《物理》[M].人民教育出版社，2004.

[5]杨建通.首辅一号[M].光明日报出版社，2004.

[6]张泉，李天一，商洪波等.世纪金榜[M].延边大学出版社，2005.