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物理实验设计的基本方法


物理实验设计的基本方法 物理学是一门实验科学,而我们目前的物理教学,基本上是停留在关于物理学的知识系统的 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,如果考查的实验不是教材所限的实验呢? 一、实验设计教学的必要性 1996年上海高考第四 (5) 题要求测定陶瓷管上均匀电阻膜的厚度, 就属于设计型实验. 但 由于题目给出了全部实验器材和所有相关量,使实验定位在电阻或电阻率的测定上,又大大 降低了实验难度,只属于局部设计型实验.无论命题者出于何种考虑,设计型实验毕竟半遮 半掩地出现了,这多少给教学工作者提了个醒. 1.从小处着眼,加强实验设计教学 上海作为高考改革的试点城市,其成功的改革将为全国高考提供可能的改革方向,甚至一些 新颖的题型和情境,都可能为全国高考所借鉴.如1996年全国高考第21题就是从19 95年上海高考第一(5)题脱胎而来的.无疑上海高考关于实验设计的考查是又一个成功 的改革举措,极有在全国推广的价值.而物理《考试说明》中要求“会用在这些实验中学过 的实验方法”,也为实验设计的考查在全国的推广提供了可能. 2.从大处着眼,加强实验设计教学 著名核物理学家钱三强先生在为郭奕玲、沈慧君编著的《物理学史》所作的序中,曾严厉指 出:“今天我们科学界有一个弱点,这就是思想不很活泼,这也许跟大家过去受的教育有一 定关系??”我们常常教育学生“应该??”“必须??”;我们的考试题目常常不惜笔墨 描述背景、附加条件,最后只有一个小小的空格“是??”.这样培养选拔出来的人才在学 校是好学生,步入社会是好职员,大脑中只是机械地跳动着两个问题:“你要我做什么?你 要我怎么做?”工作常常:“完成”的相当漂亮,但思想僵化,毫无创见.这正是我们的悲 哀!长期以来的这种教育选拔模式,致使我们现在仍只能在很羞涩地提到几个美籍华人时才 有一种借来的荣光与自豪! 思想不活跃,是因为我们给了学生太多的“必须”的限制;思想僵化,是因为我们留给学生 太少的“可能”的余地.实验设计的教学,正是活跃思想,培养能力的一种好方法,授以实 验的基本方法,让学生自己去考虑有哪些可能的做法,自己会怎么做. 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;对于验证型实验,在相应的物理现象中,怎 样的定量关系成立,才能达到验证规律的目的;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,要测定地球表面附近的重力加速度,我们就应检索:在所学知识范围内,哪些内 容涉及到重力加速度,它与其他物理量有何定量关系,并一一罗列出来:

(1)在静力学中,静止物体对竖直悬绳的拉力或对水平支持物的压力大小就等于重力,即 T=N=mg.若T(或N)和m能测出,则重力加速度g可测定. (2)在超重或失重(但不完全失重)系统中,F⊥-mg=±ma⊥.若F⊥、a⊥和m 可测出,则重力加速度g可测定. (3)在运动学中,物体从光滑斜面上由静止下滑,s=12gsinθ t2.若s、θ 和 t可测定,则重力加速度g也可测定. (4) 在运动学中, 物体从粗糙斜面上由静止下滑, s=12 (gsinθ -μ gcosθ ) t2.若s、θ 、μ 和t可测,则重力加速度g也可测定. (5)自由落体运动中,h=12gt2.若h和t可测出,则重力加速度g也可测定. (6)用重力加速度测定仪测定. (7)在平抛运动中,竖直方向在连续相等的时间内位移之差 Δ y=gt2.若 Δ y和t可 测,重力加速度g同样可以测出. (8)在斜抛运动中,水平射程可以表示为x=v02sin2θ /g.若x、v0和 θ 可 测出,则重力加速度g也可测出. (9)单摆做简谐振动时,其周期可以表示为T=2π l/g.若T和l可测,则g可测. (10)在焦耳测定热功当量的实验中,若能测出水的质量和升高的温度,算出水增加的内 能,再测出重物的质量和下落的高度,同样可测定重力加速度. (11)带电粒子在的匀强电场平行板电容器中平衡时,mg=qU/d.若U、d和带电 粒子的荷质比(q/m)可测定,则g可测出. (12)假设一物体在地球表面附近绕地球做圆周运动,mg=GMm/R2,g=GM/ R2. ???? 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. 以上三原则通常要综合考虑. 在前述方案中,方案(1)中常用的测力计误差较大; (2)中F⊥和a⊥均不易测定; (3) 中 θ 和t不易测定且难以保证斜面足够光滑; (4)中 θ 、t和 μ 均不易测定; (5)中若 用秒表计时人为因素较大,若用打点计时器计时,纸带受振针阻力与通常小物块所受重力相 比不能忽略; (6) 中仪器先进但一般中学没有; (7) 中若用闪光照像技术则是一种好方案, 但设备和技术都达不到要求,若用平抛运动的研究方法误差较大; (8)中 θ 和v0的测量 难度较大; (9)中相对而言较切合中学实际; (10)中需测定的物理量多且很难采取绝热 措施; (11)中学阶段不易测定荷质比; (12)只是一个思想实验,无法付诸实践,但可 估算,代入数据得g=9.857m/s2,与标准值9.81m/s2只相差4.8?.综 上所述,中学阶段通常采用单摆法测定重力加速度. 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,从而确定整个实验需要哪些器材. 在“用单摆测定重力加速度”的实验中,是利用单摆装置来进行实验的,故需铁架台、细线 和摆球等来组装单摆.重力加速度可表示为g=4π 2l/T2,周期需用秒表测定;摆长 l是从悬点到摆球中心的距离,因此需用米尺和游标卡尺分别测定摆线长度l和摆球直径 d.从实验原理表达式可以看出,实验与摆球质量无关,故毋需使用天平. 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,摆线的伸缩性和质量应较小,摆球的质量应较大.摆线伸缩性大, 其长度会随拉力变化而变化;摆球与摆线质量相差越小,系统(摆线和摆球)质心偏离摆球 中心越远, 误差就越大. 为了便于观察, 摆球振动的路径宜长, 但又要确保单摆做简谐振动, 故摆线宜长些,常取1米左右. 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“利用单摆测定重力加速度”的实验中.原理表达式g=4π 2l/T2中的l和T分别 为单摆的摆长和单摆做简谐振动的周期.因此应先组装单摆,再测定摆长,最后让单摆做简 谐振动,测定周期T.根据所测数据计算出重力加速度g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. 三、建议 我们不能说全国高考对中学教学起一种指挥棒的作用,但也无法低估高考对中学教学的导向 作用,正确认识并充分利用这种导向作用,对改善中学教学现状是大有裨益的.因此在高考 命题上做点文章,使试题内涵精些,外延宽些,少些“是什么”,多些“怎么样”,思想自 然活跃,花样自然增多.以1996年全国高考第15题为例,若把问题改为:“根据以上 数据, 能否验证机械能守恒定律?试用必要的文字和简明的算式阐明你的观点. ”这样一改, 同样可考查即时速度、Δ EP和 Δ EK的计算,但为学生提供的可能性增多了.为什么非得 从“第一个点”开始考虑呢?见微知著, 我们完全可以通过证明 Δ EP (BC) 与 Δ EK (B C)相等来验证机械能守恒定律,至少可说明BC过程机械能守恒. 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跨世纪人才, 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.


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