高中物理實(shí)驗(yàn)中常見的研究方法

李楠

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-7661（2017）12-0031-02

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。對(duì)實(shí)驗(yàn)的考核己從簡單的背誦實(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。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，從而摸清實(shí)驗(yàn)中的研究方法也就至關(guān)重要。結(jié)合教學(xué)實(shí)際，現(xiàn)就高中實(shí)驗(yàn)的研究方法總結(jié)如下。

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?。?/p>

例如，在《用單擺測定重力加速度》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)中把電壓表看成內(nèi)阻是無窮大的理想電壓表，電流表看成內(nèi)阻等于零的理想電流表等，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)行測量。

例如，測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《測定金屬電阻率》實(shí)驗(yàn)中所使用的螺旋測微器：主尺上前進(jìn)（或后退）0.5毫米，對(duì)應(yīng)副尺上有50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。

4.累積法：將微小量累積后測量求平均的方法，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《用單擺測定重力加速度》實(shí)驗(yàn)中，需要測定單擺周期，用秒表測一次全振動(dòng)的時(shí)間誤差很大，于是采用測量30-50次全振動(dòng)的時(shí)間t，從而求出單擺的周期T=（n為全振動(dòng)次數(shù)）。又如在《測定金屬電阻率》的實(shí)驗(yàn)中，若沒有螺旋測微器時(shí)，也可把金屬絲在鉛筆上密繞若干圈，由線圈總長度除以匝數(shù)得出金屬絲的直徑。

5.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(jìn)行間接觀察和測量，這就是轉(zhuǎn)換法。

例如，以卡文迪許《利用扭秤裝置測定萬有引力常量實(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)生的扭轉(zhuǎn)力矩相等，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)角度的測量上，這個(gè)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(dòng)的距離間接測湍出的。

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。

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。

7.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，以便從容地測量、比較和研究。

例如，在《測定勻變速直線運(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；又如利用閃光照相機(jī)記錄自由落體運(yùn)動(dòng)的軌跡等實(shí)驗(yàn)，都采用了留跡法。

8.模擬法，有時(shí)受客觀條件限制，不能對(duì)某些物理現(xiàn)象進(jìn)行直接實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

例如在《電場中等勢(shì)線的描繪》實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)閷?duì)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?yàn)榇鸥芯€實(shí)際不存在。我們就用鐵屑的分布來模擬磁感線的存在。

此外在高中物理實(shí)驗(yàn)中還有比較法、替代法、補(bǔ)償法等，這里不再一一解析。

由于高中內(nèi)容日趨拓寬，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?qū)嶒?yàn)中的研究方法，只有這樣，才能切實(shí)抓好實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

（責(zé)任編輯 李 翔）