高中物理實(shí)驗(yàn)中的研究方法

李 波

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)1990-1997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)的考查已從簡(jiǎn)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)中有以下幾種研究方法。

1.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(shí)際情況下合理的近似結(jié)果(通俗地說就是抓大放小)。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(zhǎng),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。

2.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。

3.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)中所使用的螺旋測(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(zhǎng)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(zhǎng)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)(跟庫侖靜電力扭秤實(shí)驗(yàn)一樣),都是將微小形變放大方法的具體應(yīng)用。

4.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(zhǎng)度來測(cè)出金屬絲的直徑。

5.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)換成其他變量(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。是在對(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。

6.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。

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

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。

作者單位:河北省唐山市灤縣第二中學(xué)