YPT所涉及實驗方法的探究

宋家瑋+鄒京琪

【摘要】YPT實驗是基于 IYPT的一類實驗，YPT實驗以其奇妙的現(xiàn)象展示了物理之美。掌握YPT的實驗方法有助于對實驗進行深層次的定量分析。本文是對YPT所涉及實驗方法的歸納總結(jié)，結(jié)合具體題目總結(jié)了幾種在YPT賽題中常用的物理方法：控制變量法、轉(zhuǎn)換法、等效替代法和放大法，可供準備YPT競賽的同學(xué)參考，對指導(dǎo)開展競賽也有一定的啟示和借鑒。

【關(guān)鍵詞】YPT實驗 控制變量法 轉(zhuǎn)換法 等效替代法 放大法

【中圖分類號】O4-33 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）14-0232-02

引言

IYPT（International Young Physicists' Tournament）是國際青年物理學(xué)家錦標賽的簡稱，是當前世界上最重要的中學(xué)物理競賽項目之一。而YPT實驗是基于 IYPT的一類實驗，與傳統(tǒng)競賽不同，YPT賽題需要同學(xué)自主設(shè)計實驗方案，實驗方案的不同直接影響實驗的觀察效果，合理地運用實驗方法可以達到事半功倍的效果。下面主要就控制變量法，轉(zhuǎn)換法、等效替代法、極端實驗法進行具體闡述。

1.控制變量法

控制變量法是實驗中最常見的方法，在多變量問題中尤為重要。

2015年IYPT的第14道賽題環(huán)繞的光（Circle of Light）：當一束激光照射在一根金屬絲上時，可以在垂直于金屬絲的屏幕上觀察到一個光圈，解釋這個現(xiàn)象并研究相關(guān)因素。此賽題實驗變量眾多，包括光的波長、頻率、金屬絲的直徑和材質(zhì)、入射角以及距離等。在進行實驗探究的過程中，應(yīng)采用控制變量法，只改變一個實驗變量，才能得出實驗變量與實驗結(jié)果之間一一對應(yīng)的關(guān)系。

2.轉(zhuǎn)換法

轉(zhuǎn)化法即對于一些看不見、摸不著的現(xiàn)象或不易直接測量的物理量，通常用一些非常直觀的現(xiàn)象去認識，或用易測量的物理量間接測量。

2016年IYPT的第六題電制蜂巢（Electric Honeycomb）：將一個垂直的金屬針放在一個水平的金屬盤子上方，在盤子上放一些油，假如你對金屬針和盤子施加恒定的高電壓，可以產(chǎn)生格狀結(jié)構(gòu)。請解釋并研究這一現(xiàn)象。

研究油面的格狀結(jié)構(gòu)需要探尋油表面產(chǎn)生微擾的臨界電壓，用人眼去判斷油面的起伏缺乏說服力，我們可采用觀察激光光束反射形成的光斑來判斷。將觀察油面的微擾轉(zhuǎn)化為觀察油面反射形成的光斑，放大油面擾動的效應(yīng)，將一個不易測量的量轉(zhuǎn)化為一個易于測量的量。

同樣，2016年IYPT的第九題水波（Water waves）：用一個豎直振動的水平圓柱來產(chǎn)生水波，當改變激勵頻率和振幅的時候，水波會看起來流向或背離圓柱。請研究這個現(xiàn)象。用肉眼去判斷水波的走向容易帶來視覺的偏差，且與觀察角度，觀察者的主觀意識有著較大關(guān)系，但我們可以借助其他物體的走向來判讀，例如，在水中撒上金粉，由于撒入的物質(zhì)體積較小，故不會影響原有的實驗現(xiàn)象。

在YPT實驗中，很多題目都會通過轉(zhuǎn)化，將一個不易觀察的物理量轉(zhuǎn)化成一個易于表征的量，提高實驗結(jié)果的說服力，但是設(shè)計實驗時要注意不能改變實驗的原有屬性。

3.等效替代法

等效替代法是在保證某種效果（特性和關(guān)系）相同的前提下，將實際的、復(fù)雜的物理問題和物理過程轉(zhuǎn)化為等效的、簡單的、易于研究的物理問題和物理過程來研究和處理的方法。但在運用等效替代法時，一定要注意實驗量之間的等價性。

4.放大法

放大法是指把微弱的力量通過另一種方法表現(xiàn)出來。

2016年IYPT第17題瘋狂的旅行箱（Crazy suitcase）：當一個人拉著一個兩輪的旅行箱的時候，在某些時候旅行箱會很劇烈地左右擺最終傾覆。研究這個現(xiàn)象。一個人可否通過不同的裝箱方法來抵制或激化這種現(xiàn)象嗎？由初步的預(yù)實驗得出結(jié)論，是人給箱子施加的不平衡的力矩導(dǎo)致了箱子的傾覆。為了突出人對箱子的影響效果，可以將行李箱同比例縮小。人施加的力矩保持不變，箱子的質(zhì)量減小，放大箱子的搖晃現(xiàn)象。

用極端實驗放大實驗效果可以初步得出實驗結(jié)論，適用于定量系數(shù)不高的實驗。

總結(jié)

YPT實驗具有極大的探究性和開放性，學(xué)生在準備YPT類競賽的過程中，要合理設(shè)計實驗方案，可綜合運用控制變量法、轉(zhuǎn)換法、等效替代法、放大法等實驗方法，通過轉(zhuǎn)化實驗測量量或者放大實驗現(xiàn)象等方法，做出更準確的實驗現(xiàn)象，為定量測量做好準備。同樣，教師在指導(dǎo)備賽過程中，應(yīng)有針對性的輔導(dǎo)。這些實驗方法同時也可以作為平時課堂實驗教學(xué)的補充。

參考文獻：

[1]張一馳，陳晨，陸建隆.依托“YPT實驗”提高學(xué)生探究能力的實踐探索[J].物理教師，2016（10）：27-31

[2]陳晨.科學(xué)探究視角下IYPT的過程分析及對高中物理探究式教學(xué)的啟示[J].物理教學(xué)探討，2015（3）：14-17