高中物理實(shí)驗(yàn)中的研究方法

郭法保

實(shí)驗(yàn),是自然科學(xué)研究的重要方法,也是自然學(xué)科教學(xué)的重要手段,實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ歉呖嘉锢韺W(xué)科要考核的五個(gè)能力之一。 據(jù)對(duì)90 ～97 年高考試題統(tǒng)計(jì),八年實(shí)驗(yàn)總分平均占14。25%,略高于考綱的規(guī)定。近年來高考對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ岢隽烁邔哟蔚囊?對(duì)實(shí)驗(yàn)的考查己從簡單的背誦實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向考查對(duì)實(shí)驗(yàn)的思想、方法和原理的理解以及應(yīng)用的層次。特別是“3+X”考試科目設(shè)置改革,其測(cè)試重點(diǎn)是考查學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解、掌握和運(yùn)用,因此實(shí)驗(yàn)題對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰己艘蟾?設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)也在所難免。因此,搞好高中物理實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí),摸清實(shí)驗(yàn)中的研究方法也就至關(guān)重要。結(jié)合大綱,物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有以下八條實(shí)驗(yàn)中的研究方法。

一、理想化法

影響物理現(xiàn)象的因素往往復(fù)雜多變,實(shí)驗(yàn)中?？刹捎煤雎阅承┐我蛩鼗蚣僭O(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(shí)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(cè)定重力加速度》的實(shí)驗(yàn)中,假設(shè)懸線不可伸長,懸點(diǎn)的摩擦和小球在擺動(dòng)過程的空氣阻力不計(jì);在電學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)際都采用了理想化法。

二、平衡法

“物理學(xué)中常常利用一個(gè)量的作用與另一個(gè)(或幾個(gè))量的作用相同、相當(dāng)或相反來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),制作儀器,進(jìn)行測(cè)量。例如測(cè)量中的基本工具彈簧秤的設(shè)計(jì)是利用了力的平衡,天平的設(shè)計(jì)是根據(jù)力矩的平衡;溫度計(jì)是利用了熱的平衡。

三、放大法

“在現(xiàn)象、變化、待測(cè)物理量十分微小的情況下,往往采用放大法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的性質(zhì)和放大對(duì)象的不同,放大所使用的物理方法也各異。例如:在《測(cè)定金屬電阻率》實(shí)驗(yàn)中所便用的螺旋測(cè)微器:主尺上前進(jìn)(或后退)0.5毫米,對(duì)應(yīng)副尺上有5n個(gè)等分,實(shí)際上是對(duì)長度的機(jī)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(shí)驗(yàn)》,其測(cè)定萬有引力恒量的思路最后轉(zhuǎn)移到光點(diǎn)的移動(dòng)(跟“庫侖靜電力扭枰實(shí)驗(yàn)一樣),都是將微小形變放大方法的具體應(yīng)用。

四、累積法

將微小量累積后測(cè)量求平均的方法,能減小相對(duì)誤差。實(shí)驗(yàn)中也經(jīng)常涉及這一方法。例如,在《用單擺測(cè)定重力加速度》實(shí)驗(yàn)中,需要測(cè)定單擺周期,用秒表測(cè)一次全振動(dòng)的時(shí)間誤差很大,于是采用測(cè)量30-50次全振動(dòng)的時(shí)間T,從而求出單擺的周期T=t/n(n為全振動(dòng)次數(shù))。又如在《測(cè)定金屬電阻率》的實(shí)驗(yàn)中,若沒有螺旋測(cè)微器時(shí),也可把金屬在鉛筆上密繞若干圈,由線圈總長度來測(cè)出金屬絲的直徑。”

五、轉(zhuǎn)換法

某些物理量不容易直接測(cè)量,或某些現(xiàn)象直接顯示有困難,可以采取把所要觀測(cè)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(jìn)行間接觀察和測(cè)量,這就是轉(zhuǎn)換法,還是以卡文迪許《利用扭秤裝置測(cè)定萬有引力恒量實(shí)驗(yàn)》為例:其基本的思維方法便是等效轉(zhuǎn)換?？ㄎ牡显S扭秤發(fā)生扭轉(zhuǎn)后,引力對(duì)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(dá)到了無法達(dá)到的目的。本實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)換法還應(yīng)用于石英絲扭轉(zhuǎn)角度的測(cè)量上,這個(gè)角度不是直接測(cè)出的,而是利用平面鏡反射光在刻度尺上移動(dòng)的距離間接測(cè)出的。轉(zhuǎn)換法是一種較高層次的思維方法。是對(duì)事物本質(zhì)深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上才產(chǎn)生的一種飛躍。如變曲為直實(shí)際上就是該方法的應(yīng)用。

六、控制變量法

在高中物理中的許多實(shí)驗(yàn),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(gè)因素的影響。最典型的例子是《驗(yàn)證牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律》的實(shí)驗(yàn),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。當(dāng)然本實(shí)驗(yàn)還涉及到各種系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生,限于篇幅不再贅述。

七、留跡法

有些物理現(xiàn)象瞬間即逝,如運(yùn)動(dòng)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(cè)量、比較和研究。例如:在《測(cè)定勻變速直線運(yùn)動(dòng)的加速度》、,《驗(yàn)證牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律》、《驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律》等實(shí)驗(yàn)中,就是通過紙帶上打出的點(diǎn)記錄下小車(或重物)在不同時(shí)刻的位置,(位移)及所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻,從而可從容計(jì)算小車在各個(gè)位置或時(shí)刻的速度并求出加速度;對(duì)于簡諧運(yùn)動(dòng),則是通過擺動(dòng)的漏斗漏出的細(xì)沙落在勻速拉動(dòng)的硬紙板上而記錄下各個(gè)時(shí)刻擺的位置,從而很方便地研究簡諧運(yùn)動(dòng)的圖像;又如利用閃光照相記錄自由落體運(yùn)動(dòng)的軌跡等實(shí)際。都采用了留跡法。

八、模擬法

有時(shí)受客觀條件限制,不能對(duì)某些物理現(xiàn)象送行直接實(shí)驗(yàn)和測(cè)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。例如在《電場(chǎng)中等勢(shì)線的描繪》實(shí)驗(yàn)中,因?yàn)閷?duì)靜電場(chǎng)直接測(cè)量很困難,故采用易測(cè)量的電流場(chǎng)來模擬。

此外在高中物理實(shí)驗(yàn)中還有比較法、替代法、補(bǔ)償法等。

由于高考內(nèi)容日趨拓寬求深,知識(shí)交叉部分(特別實(shí)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(shí)驗(yàn)無關(guān)緊要”、“講比做好”等錯(cuò)誤觀念,認(rèn)真領(lǐng)悟真實(shí)驗(yàn)中的思想方法,只有這樣,才能切實(shí)抓好實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。