倍分法在高中物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用舉隅

李 明 柴宏良

(浙江省衢州第一中學(xué) 浙江 衢州 324000)

倍分法在高中物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用舉隅

李 明 柴宏良

(浙江省衢州第一中學(xué) 浙江 衢州 324000)

倍分法是一種重要的實(shí)驗(yàn)研究方法，在科學(xué)規(guī)律探究、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，研究相關(guān)變量之間的定量關(guān)系時(shí)有著廣泛應(yīng)用.

倍分法 物理實(shí)驗(yàn) 應(yīng)用

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，同時(shí)物理研究中蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)方法.物理教學(xué)要以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，不失時(shí)機(jī)地滲透科學(xué)方法，讓科學(xué)方法教育根植于實(shí)驗(yàn)探究的土壤.利用科學(xué)方法來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)非常重要，科學(xué)方法不僅能簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程，而且還可以幫助學(xué)生領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)的基本原理、設(shè)計(jì)思路，幫助學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)研究的過(guò)程.倍分法思想是一種重要的實(shí)驗(yàn)研究方法，當(dāng)實(shí)驗(yàn)中難以直接測(cè)量某個(gè)物理量時(shí)，可設(shè)法將其成倍地減少或增加，研究相關(guān)變量之間的定量關(guān)系.

筆者在高中物理教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，物理實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常利用倍分法思想來(lái)設(shè)計(jì)和操作實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，倍分法思想也常出現(xiàn)在物理試題當(dāng)中.本文列舉若干典型案例，剖析倍分法思想在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，體會(huì)在物理實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行科學(xué)方法教育的意義.

1 倍分法在科學(xué)規(guī)律探究中的應(yīng)用

在科學(xué)研究中，常常需要用實(shí)驗(yàn)研究物理量之間的定量關(guān)系，但有的物理量在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下難以準(zhǔn)確測(cè)量，物理學(xué)家常常采用成倍增加或成倍減小該物理量的辦法獲得物理量的定量變化，以此測(cè)量物理量之間的關(guān)系.這種方法叫做“倍分法”.

這種“倍數(shù)”關(guān)系在物理學(xué)研究中的應(yīng)用并不鮮見(jiàn)，在密立根實(shí)驗(yàn)中通過(guò)測(cè)量小油滴的電荷量的倍數(shù)關(guān)系，推測(cè)出最小的電荷量——元電荷.

2 倍分法在高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用

案例1：“探究功與速度變化關(guān)系”實(shí)驗(yàn)

探究功與速度變化關(guān)系的實(shí)驗(yàn)方案有很多，有些實(shí)驗(yàn)方案是要計(jì)算出力做功的大小，實(shí)驗(yàn)較為繁瑣，而且誤差較大.課本上介紹了一個(gè)較為簡(jiǎn)單方便的實(shí)驗(yàn)方案，如圖1所示，此方案就是利用倍分法簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn).分別利用1根、2根、3根、4根橡皮筋對(duì)小車做功，做功大小表示為1W，2W，3W，4W，從而避免直接求功的麻煩，大大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)，更為方便快捷地得到功與速度變化的關(guān)系.

圖1 探究功與速度變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

案例2：“探究導(dǎo)體電阻與其影響因素的定量關(guān)系”實(shí)驗(yàn)

此實(shí)驗(yàn)要研究的是導(dǎo)體電阻與長(zhǎng)度、橫截面積之間的定量關(guān)系.如果采用倍分的思想方法去研究此實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)會(huì)變得簡(jiǎn)單快捷.

研究導(dǎo)體電阻和長(zhǎng)度關(guān)系時(shí)，可以成倍改變電阻絲的長(zhǎng)度，然后用數(shù)字式多用電表的電阻擋直接測(cè)量電阻，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電阻絲長(zhǎng)度成倍改變，測(cè)得電阻阻值也成倍變化，因此很快就能得到電阻與導(dǎo)體長(zhǎng)度成正比.

研究導(dǎo)體電阻與橫截面積的定量關(guān)系時(shí)，可以成倍地改變導(dǎo)體的橫截面積，假設(shè)1根導(dǎo)線的橫截面積為S，2根導(dǎo)線并聯(lián)橫截面積為2S，3根導(dǎo)線并聯(lián)橫截面積為3S，4根導(dǎo)線并聯(lián)橫截面積為4S.通過(guò)成倍改變導(dǎo)線的橫截面積，能很快地得到電阻和橫截面積的關(guān)系.

案例3：“探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)

探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)需要用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量計(jì)算加速度，實(shí)驗(yàn)比較繁瑣而且很費(fèi)時(shí).實(shí)驗(yàn)可采用雙車位移比較法來(lái)探究加速度與力的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,利用剎車系統(tǒng)來(lái)控制小車運(yùn)動(dòng)時(shí)間，使兩小車運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同.兩個(gè)初速度為零的小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，在相同時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的位移之比即為加速度之比，因此可以利用測(cè)量位移大小來(lái)代替測(cè)量加速度大小.如果再成倍地改變物體的質(zhì)量或外力F的大小，就可以比較直觀地發(fā)現(xiàn)加速度與力和質(zhì)量的定量關(guān)系.

圖2 探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 倍分法在實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

案例4：“探究電容的定義式與決定式”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

(1)探究定義電容器的電容實(shí)驗(yàn)

定義電容，關(guān)鍵是要得到Q與U的比值為一常量，也就是Q與U成正比，因此就需要測(cè)得電容器的電荷量和電壓.電荷量Q很難測(cè)， 我們利用的方法是倍分電荷量法.

圖3 電容定義演示儀

某次實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 探究電容的定義式與決定式實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從上表數(shù)據(jù)很容易得出Q與U成正比的關(guān)系，在此實(shí)驗(yàn)結(jié)論的基礎(chǔ)上，再用比值定義法定義電容就水到渠成了.

(2)探究電容決定式的實(shí)驗(yàn)

探究電容決定式的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是利用數(shù)字式萬(wàn)用表電容擋直接測(cè)量?jī)善叫邪彘g的電容，也可利用倍分法，研究電容與正對(duì)面積、間距的定量關(guān)系.

1)電容與平行板間距的關(guān)系

改變上下兩極板間的絕緣介質(zhì)(圖4)有機(jī)玻璃的塊數(shù)，也就是成倍改變平行板的間距，利用數(shù)字式萬(wàn)用表的電容擋直接測(cè)得電容值，從而很快得到電容與間距的定量關(guān)系.

圖4 上下極板間放置絕緣介質(zhì)

2)電容與平行板正對(duì)面積的關(guān)系

成倍改變平行板間的正對(duì)面積，利用數(shù)字式萬(wàn)用表的電容擋直接測(cè)得電容值，從而很快得到電容和正對(duì)面積的定量關(guān)系.

上述兩個(gè)電容器均利用了倍分法思想，將不容易測(cè)量的物理量測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)楸稊?shù)關(guān)系，大大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過(guò)程，讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯，定量關(guān)系更直觀.在一次公開(kāi)課教學(xué)中利用該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)讓課堂的探究氛圍非常濃厚，學(xué)生的思維活動(dòng)積極踴躍，獲得了聽(tīng)課教師的高度評(píng)價(jià).

案例5：“探究磁場(chǎng)力和通電導(dǎo)線長(zhǎng)度及電流關(guān)系”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

高中物理課本中介紹的此實(shí)驗(yàn)方法如圖5所示,在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)在可行性方面存在一些問(wèn)題：

(1)導(dǎo)線擺動(dòng)后不容易平衡，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量其擺角.

(2)此實(shí)驗(yàn)需要通很大的電流，實(shí)驗(yàn)室常用的電流表無(wú)法測(cè)量.

(3)通電導(dǎo)線發(fā)生擺動(dòng)后，導(dǎo)線所在位置磁場(chǎng)的強(qiáng)弱發(fā)生變化，不符合實(shí)驗(yàn)要求.

為了解決以上問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)、制造了如下創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置，如圖6所示.

圖5 探究磁場(chǎng)力和通電導(dǎo)線長(zhǎng)度及電流關(guān)系實(shí)驗(yàn)

由于導(dǎo)線所受磁場(chǎng)力較小,實(shí)驗(yàn)采用了力矩平衡原理放大磁場(chǎng)力.但直接測(cè)量磁場(chǎng)力的數(shù)值還是不太方便,實(shí)驗(yàn)巧妙地通過(guò)改變配重盆中小鐵釘?shù)膫€(gè)數(shù)來(lái)定量反映磁場(chǎng)力的大小，比如，1個(gè)小鐵釘平衡一個(gè)單位的磁場(chǎng)力，放入n個(gè)小鐵釘恰好平衡，說(shuō)明此時(shí)的磁場(chǎng)力恰好是n個(gè)單位的磁場(chǎng)力.當(dāng)通電導(dǎo)線電流成倍變化時(shí),只需數(shù)出平衡后小鐵釘?shù)膫€(gè)數(shù),就能方便快捷地找到磁場(chǎng)力和電流的關(guān)系.同理,成倍改變條形磁鐵個(gè)數(shù)時(shí),也就是成倍改變受磁場(chǎng)力的通電導(dǎo)線的長(zhǎng)度,只要數(shù)出平衡后小鐵釘個(gè)數(shù),就能方便快捷地找到磁場(chǎng)力和通電導(dǎo)線長(zhǎng)度的關(guān)系.

圖6 探究磁場(chǎng)力和通電導(dǎo)線長(zhǎng)度及電流關(guān)系創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

表2是實(shí)驗(yàn)操作獲得的測(cè)量數(shù)據(jù).

表2 探究磁場(chǎng)力和通電導(dǎo)線長(zhǎng)度及

從表中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，用該實(shí)驗(yàn)研究磁場(chǎng)力和電流的成正比關(guān)系非常準(zhǔn)確，但在研究磁場(chǎng)力和長(zhǎng)度的成正比關(guān)系時(shí)誤差相對(duì)大一些.其原因可能是兩塊蹄形磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)弱有所不同，以及同時(shí)放上兩塊蹄形磁鐵時(shí)磁場(chǎng)間相互影響所致，以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在多塊磁鐵中挑選了磁性最接近的兩塊的情況下做出的.

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，倍分法作為重要的科學(xué)研究方法，在物理教學(xué)中不僅讓學(xué)生學(xué)習(xí)、體會(huì)這種研究方法在物理學(xué)研究中的重要作用，還可以利用倍分法改進(jìn)或創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的探究和創(chuàng)新能力.

2016-12-22)