中學物理實驗中的研究方法

魏家恩

【摘 要】實驗考察是中考和高考物理必考的內(nèi)容之一,而很多學生在實驗題上丟分嚴重。本文作者根據(jù)自己在實驗中的體會和一些做法,結(jié)合課程標準和教材,摸清實驗中的研究方法,從而促進物理的學習,在中考和高考物理實驗中取得不錯的成績。

【關(guān)鍵詞】物理實驗 研究方法

實驗,是自然科學研究的重要方法,也是自然學科教學的重要手段,實驗能力是物理學科必考內(nèi)容。 我對近幾年中考和高考試題分析,近年來對學生的實驗能力提出了更高層次的要求,對實驗的考查己從簡單的背誦實驗轉(zhuǎn)向考查對實驗的思想、方法和原理的理解以及應(yīng)用的層次。特別是高考“3+X”考試科目設(shè)置改革,中考也在轉(zhuǎn)向?qū)嶒災芰疾?。其測試重點是考查學生對所學知識的理解、掌握和運用,因此實驗題對實驗能力考核要求更高,設(shè)計性實驗也在所難免。因此,搞好中學物理實驗的復習,摸清實驗中的研究方法也就至關(guān)重要。結(jié)合課程標準和教材,物理實驗教學中主要有以下七條實驗中的研究方法。

一、控制變量法

指在物理實驗中往往存在著多種變化的因素,為了研究它們之間的關(guān)系可以先控制一些量不變,依次研究某一個因素的影響。是在初中物理實驗中用的最多的研究方法,如研究影響蒸發(fā)快慢的因素實驗;探究電流與電壓、電阻關(guān)系的實驗;探究電阻與那些因素有關(guān)的實驗?;探究動能、重力勢能與那些因素有關(guān)的實驗; 最典型的例子是高中《驗證牛頓第二運動定律》的實驗,我們研究的方法是:先保持物體的質(zhì)量一定,研究加速度與力的關(guān)系,再保持力不變研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系,最后綜合得出物體的加速度與它受到的合外力及物體質(zhì)量之間的關(guān)系。

二、累積法

將微小量累積后測量求平均的方法,能減小相對誤差。實驗中也經(jīng)常涉及這一方法。例如,測一張紙的厚度可測100張紙的厚度再求一張紙的厚度;在《用單擺測定重力加速度》實驗中,需要測定單擺周期,用秒表測一次全振動的時間誤差很大,于是采用測量30-50次全振動的時間T,從而求出單擺的周期T=t/n(n為全振動次數(shù))。又如在《測定金屬電阻率》的實驗中,若沒有螺旋測微器時,也可把金屬在鉛筆上密繞若干圈,由線圈總長度來測出金屬絲的直徑。

三、轉(zhuǎn)換法

某些物理量不容易直接測量,或某些現(xiàn)象直接顯示有困難,可以采取把所要觀測的變量轉(zhuǎn)換成其它變量(力、熱、聲、光、電等物理量)的相互轉(zhuǎn)換進行間接觀察和測量,這就是轉(zhuǎn)換法,如磁鐵的磁性強弱可以通過吸引大頭針的多少來見接顯示;風力的大小可以通過樹的彎曲成程度來觀察;又如卡文迪許《利用扭秤裝置測定萬有引力恒量實驗》為例:其基本的思維方法便是等效轉(zhuǎn)換。卡文迪許扭秤發(fā)生扭轉(zhuǎn)后,引力對T 形架的扭轉(zhuǎn)力矩與石英絲由于彈性形變產(chǎn)主的扭轉(zhuǎn)力矩這就是等效轉(zhuǎn)換,間接地達到了無法達到的目的。本實驗中轉(zhuǎn)換法還應(yīng)用于石英絲扭轉(zhuǎn)角度的測量上,這個角度不是直接測出的,而是利用平面鏡反射光在刻度尺上移動的距離間接測出的。

轉(zhuǎn)換法是一種較高層次的思維方法。是對事物本質(zhì)深刻認識的基礎(chǔ)上才產(chǎn)生的一種飛躍。如變曲為直實際上就是該方法的應(yīng)用。理想化法:影響物理現(xiàn)象的因素往往復雜多變,實驗中常可采用忽略某些次要因素或假設(shè)一些理想條件的辦法,以突出現(xiàn)象的本質(zhì)因素,便于深入研究,從而取得實際情況下合理的近似結(jié)果(通俗他說就是抓大放小)。例如在《用單擺測定重力加速度》的實驗中,假設(shè)懸線不可伸長,懸點的摩擦和小球在擺動過程的空氣阻力不計;在電學實驗中把電壓表變成內(nèi)阻是無窮大的理想電壓表,電流表變成內(nèi)阻等于0的理想電流表等等實際都采用了理想化法。

四、放大法

在現(xiàn)象、變化、待測物理量十分微小的情況下,往往采用放大法。根據(jù)實驗的性質(zhì)和放大對象的不同,放大所使用的物理方法也各異。例如,在《測定金屬電阻率》實驗中所便用的螺旋測微器,主尺上前進(或后退)0.5毫米,對應(yīng)副尺上有5n個等分,實際上是對長度的機械放大;許多電表如電流表、電壓表是利用一根較長的指針把通電后線圈的偏轉(zhuǎn)角顯示出來。又比如在《卡文迪許扭實驗》,其測定萬有引力恒量的思路最后轉(zhuǎn)移到光點的移動(跟“庫侖靜電力扭枰實驗一樣),都是將微小形變放大方法的具體應(yīng)用。

五、平衡法

物理學中常常利用一個量的作用與另一個(或幾個)量的作用相同、相當或相反來設(shè)計實驗,制作儀器,進行測量。例如測量中的基本工具彈簧秤的設(shè)計是利用了力的平衡,天平的設(shè)計是根據(jù)力矩的平衡;溫度計是利用了熱的平衡。

六、留跡法

有些物理現(xiàn)象瞬間即逝,如運動物體所處的位置,軌跡或圖像等,設(shè)法記錄下來,以便從容地測量、比較和研究。例如:在《測定勻變速直線運動的加速度》、《驗證牛頓第二運動定律》、《驗證機械能守恒定律》等實驗中,就是通過紙帶上打出的點記錄下小車(或重物)在不同時刻的位置,(位移)及所對應(yīng)的時刻,從而可從容計算小車在各個位置或時刻的速度并求出加速度;對于簡諧運動,則是通過擺動的漏斗漏出的細沙落在勻速拉動的硬紙板上而記錄下各個時刻擺的位置,從而很方便地研究簡諧運動的圖像;又如利用閃光照相記錄自由落體運動的軌跡等實際。都采用了留跡法。

七、模擬法

有時受客觀條件限制,不能對某些物理現(xiàn)象送行直接實驗和測量,于是就人為地創(chuàng)造一定的模擬條件,在這樣模擬的條件下進行實驗。例如在《電場中等勢線的描繪》實驗中,因為對靜電場直接測量很困難,故采用易測量的電流場來模擬。又如在確定磁場中磁感線的分布,因為磁感線實際不存在。我們就用鐵屑的分布來模擬磁感線的存在。

此外在中學物理實驗中還有比較法、替代法、補償法等。物理作為一門建立在實驗基礎(chǔ)之上的學科,由于中考和高考內(nèi)容日趨拓寬,知識交叉部分(特別實行理綜考試)越來越多,能力要求也就更加突出。所以迫切需要摒棄“實驗無關(guān)緊要”、“講比做好”等錯誤觀念,認真領(lǐng)悟?qū)嶒炛械难芯糠椒?只有這樣,才能切實抓好實驗教學工作,另外對學生整體物理水平的提高有極大的幫助。所以,我們在平時的教學中一定要重視物理實驗的研究方法,加強對學生的引導,使他們真正領(lǐng)會物理實驗方法的精髓,從而促進物理的學習,在中考和高考物理實驗中取得不錯的成績。