物理實驗的學(xué)習(xí)步驟和方法

　　中學(xué)物理實驗是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的觀察、實驗?zāi)芰�，科學(xué)的思維、分析和解決問題能力的主要課程之一。正向李政道先生所說的那樣：“教物理重要的是讓學(xué)生懂道理……”根據(jù)中學(xué)物理教學(xué)的目的和教學(xué)大綱的基本要求，在中學(xué)物理實驗的教學(xué)過程中應(yīng)使學(xué)生在科學(xué)實驗的基本方法上有一個實在的感受，從而培養(yǎng)他們的探索精神和創(chuàng)造性，并受到科學(xué)方法的教育。

　　1．實驗設(shè)計

　　為使實驗達(dá)到預(yù)期的目的，必須明白為什么要做這個實驗，做這個實驗是要解決現(xiàn)實技術(shù)問題、知識問題，還是要探索一下教材中將要出現(xiàn)的物理現(xiàn)象等等。解決實際問題的是什么樣的，探索書中的知識問題時，應(yīng)當(dāng)明白是哪一個問題及什么現(xiàn)象。目的明確，是實驗成功的前題。

　　設(shè)計實驗的基本方法歸納為下面幾種：

　�。�1）平衡法。用于設(shè)計測量儀器。用已知量去檢驗測量另一些物理量。例如天平、彈簧秤、溫度計、比重計等。

　　（2）轉(zhuǎn)換法。借助于力、熱、光、電現(xiàn)象的相互轉(zhuǎn)換實行間接測量，例如打點計時器的設(shè)計，電磁儀表、光電管的設(shè)計等。

　�。�3）放大法。利用迭加，反射等原理將微小量放大為可測量，例如游標(biāo)尺、螺旋測微器、庫侖扭秤、油膜法測分子直徑等。

　　2．探索性實驗的選題

　　學(xué)生探索性實驗，并不是去揭示尚未認(rèn)識的物理規(guī)律。而是在經(jīng)歷該實驗的全過程之后，對探索性實驗有一個實在的感受，掌握探索未知物理規(guī)律的基本方法。

　　探索性實驗的選題應(yīng)與學(xué)生的知識水平和學(xué)習(xí)任務(wù)相適應(yīng)。在選題方面應(yīng)注意到以下幾點：

　�。�1）根據(jù)中學(xué)生學(xué)到的數(shù)學(xué)知識和在實驗時間上的限制，實驗結(jié)果的經(jīng)驗公式以一次線性為宜。如：

　　物理實驗報告·化學(xué)實驗報告·生物實驗報告·實驗報告格式·實驗報告模板

　　①線性關(guān)系：Y=a+bx

　�、诜幢汝P(guān)系：Y=a+b/x

　�、蹆珀P(guān)系：Y=axb

　　改直：logy=loga+blogx

　�、苤笖�(shù)關(guān)系：Y=aexp（bx）

　　改直：Iny=Ina+bx

　　以上各式中x為自變量，y為應(yīng)變量，同時又是被測量，a、b為常數(shù)。

　�。�2）兩個被測量之間的變化特征具有較強(qiáng)的可觀察性。

　�。�3）經(jīng)驗公式的理論分析不宜過于復(fù)雜。

　　3．物理實驗的操作方法

　　操作能力，主要是指基本儀器的使用和數(shù)據(jù)的讀出，儀器、設(shè)備的組裝或連接，故障的排除等三個方面。

　　（1）基本儀器的作用。中學(xué)物理實驗涉及的基本測量儀器有：米尺、卡尺、螺旋測微器、天平、停表、彈簧秤、溫度計、氣壓計、安培計、伏特計、變阻箱、萬用表、示波器。

　　使用基本測量儀器的規(guī)范要求是：

　�、倭私鉁y量儀器的使用方法，明確測量范圍允許極限和精密程度；

　�、趯δ承﹥x器如電表等，在使用前，必須調(diào)節(jié)零點，或記下零點誤差；

　　③牢記使用規(guī)則和操作程序；

　　④正確讀取數(shù)據(jù)。

　　例如，彈簧秤的正確使用要求是：明確彈簧秤的測量范圍；測量前，記下零點誤差；使用彈簧秤時，施力的方向應(yīng)與彈簧的軸線在同一直線上，不能使彈簧秤受力過久，以免引起彈性疲勞，損壞儀器；正確地觀察讀數(shù)，記取數(shù)據(jù)時，不僅要記錄最小刻度能指示出來的數(shù)，還應(yīng)讀出一位估計數(shù)字，數(shù)據(jù)后面要寫明單位。

　　又如，安培計的正確使用要求是：明確量程；使用前，調(diào)節(jié)零點；正確連接應(yīng)與待測電路串聯(lián)，并注意正、負(fù)極性；正確讀取數(shù)據(jù)，注明單位。

　�。�2）儀器、設(shè)備的組裝或連接。要進(jìn)行一個物理實驗，總是需要先把各個儀器、部件、設(shè)備組裝起來，并要求裝配和連接必須正確無誤。具體要求是：布局要合理，要便于觀察和操作；連接要正確，簡單；實驗前要檢查，必要時進(jìn)行預(yù)備性調(diào)節(jié)。

　　例如，電路實驗，操作要求是：

　　①按照實驗原理電路圖，安排好儀器、元件的布局，要便于連接，便于檢查，便于操作，便于讀取數(shù)據(jù)。

　�、谡�確地連接電路。

　　安培表、伏特表是否分別與待測電路串聯(lián)、并聯(lián)，正、負(fù)極性是否正確；滑線變阻器的接線是否合理；連接線路是否符合先支路、再并列、后干路、最后接電源的程序；電鍵是否能控制電路；接線是否簡捷、牢固。

　�、蹖嶒炃皯�(yīng)先檢查電路，發(fā)現(xiàn)問題及時糾正，并進(jìn)行預(yù)備性調(diào)節(jié)。

　　④嚴(yán)格按操作程序操作，例如，改變電阻器的阻值，是否由小到大，或由大到小，最后，正確讀取數(shù)據(jù)。

　　（3）故障的排除

　　實驗中的故障排除，不單是一種操作能力，它涉及對實驗原理的掌握程度、分析問題處理問題的方法、對各部件工作情況的了解等，是一種綜合運用能力。

　　實驗發(fā)生故障時，應(yīng)根據(jù)各部件工作狀態(tài)及各部件聯(lián)結(jié)處的分析，可能產(chǎn)生故障的幾種因素，逐個檢查，以致最后排除故障。

　　總之，培養(yǎng)實驗操作能力，是學(xué)習(xí)物理的必要基礎(chǔ)，它有利于對知識的理解，有利于自己創(chuàng)造條件探索問題，有利于學(xué)生智力的發(fā)展。

　　在物理學(xué)習(xí)中，培養(yǎng)操作能力，應(yīng)有計劃地、分階段地進(jìn)行。

　　第一，操作的認(rèn)知階段

　　要求對操作技能有初步的認(rèn)識，在頭腦中形成操作的映象，要求按規(guī)定的程序，做一些目的單純的定向訓(xùn)練；

　　第二，操作的階調(diào)階段

　　要求反復(fù)練習(xí)操作，提高操作的準(zhǔn)確性、協(xié)調(diào)性。

　　4．物理實驗中的觀察內(nèi)容

　　觀察是對事物和現(xiàn)象的仔細(xì)察看、了解。它是思維的知覺，智力活動的門戶和源泉。中學(xué)物理實驗中的觀察是一種有目的、有計劃而且比較持久的思維知覺，一般需要重點地觀察實驗的基本儀器、實驗的設(shè)備和裝置，實驗中的各種物理現(xiàn)象和數(shù)據(jù)、圖象、圖表，以及教師的規(guī)范化操作等等。

　　（1）觀察儀器的刻度。儀器刻度的觀察，主要是弄清刻度值的單位及其最小分度值，由此可確定測量值應(yīng)估讀到哪一位。

　　（2）觀察儀器的構(gòu)造。主要是通過觀察，了解儀器的結(jié)構(gòu)原理、每個部件的作用、測量范圍等等。

　　例如，液體溫度計是利用液體熱脹冷縮的原理制成的。它們的底部都有一個玻璃泡，上部是一根頂端封閉、內(nèi)徑細(xì)而均勻的玻璃管，在管和泡里有適量的某種液體，管上標(biāo)有刻度，在溫度改變時，液體熱脹冷縮，管內(nèi)液面位置就隨著改變，從液體達(dá)到的'刻度就可讀出溫度值，溫度計由于用途不一，測量范圍也各不相同。例如，體溫計的測量范圍是35～42℃，一般實驗室的水銀溫度計其測量范圍是20～100℃。

　�。�3）觀察儀器的銘牌。通過對儀器銘牌的觀察可了解儀器的名稱、規(guī)格、使用方法和使用條件等等。

　　例如，有的變阻器的銘牌上標(biāo)有“滑動變阻器，1.5A50Ω的意思是滑動變阻器允許通入的最大電流是1.5A，最大阻值是50Ω。

　�。�4）觀察圖像、圖表、示意圖、實物圖。對圖像的觀察，主要是觀察它反映的是什么物理現(xiàn)象，物理量變化過程怎樣，物理量的變化遵循什么規(guī)律。

　　對圖表的觀察，主要通過觀察了解圖表的意義、用途、應(yīng)用條件以及所列物理量的單位。

　　例如，液體的沸點表反映了不同液體沸騰時的溫度，用它可以查找液體的沸點，單位是℃，因液體的沸點跟壓強(qiáng)等條件有關(guān)系，表中所列的通常是在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點值。

　　對示意圖、電路圖、實物圖等的觀察，主要觀察它們分別反映的是什么物理模型，有何用途，儀器和電路的結(jié)構(gòu)是怎樣布局的，各個部件（或元件）如何連接，各部分有什么關(guān)系等等。

　�。�5）觀察實驗裝置的安裝。通過對實驗裝置安裝的觀察，可了解該裝置的用途，使用了哪些儀器和元件以及儀器配置的順序和方法等等。

　�。�6）觀察實驗的操作過程。通過對實驗操作過程觀察，可了解操作前需做哪些準(zhǔn)備工作，操作實驗的順序和過程怎樣（例略）。

　�。�7）觀察實驗的現(xiàn)象。對實驗現(xiàn)象的觀察，主要是觀察現(xiàn)象產(chǎn)生的條件和過程。

　　例如，兩根相距很近的平行導(dǎo)線，當(dāng)通入相同方向的電流時，兩者會相互吸引；當(dāng)通入相反方向電流時，兩者就互相排斥。

　�。�8）觀察實驗的數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)的觀察，要求觀測的方法要正確，數(shù)字的讀數(shù)要根據(jù)儀器最小刻度達(dá)到一定的準(zhǔn)確度，記錄測量的結(jié)果時必須明確數(shù)據(jù)的單位。

　　例如，測物體長度，觀察刻度時要眼睛正視制度線，不能斜視，觀察裝在玻璃量筒里或玻璃量杯里水面到達(dá)的刻度時，視線要跟水面凹形的底部相平，觀察水銀溫度計時，視線要和水銀面最高處相平。

　　（9）觀察教師的示范演示。對教師示范演示的觀察，要觀察教師規(guī)范化的安裝實驗裝置，合理地安排實驗程序和正確的操作過程以及演示物理現(xiàn)象、數(shù)據(jù)的讀取和記錄，如何得到實驗結(jié)果等等（例略）。

　　5．物理實驗中的觀察方法

　　物理實驗觀察，通常采用的方法有：對比觀察法和歸納觀察法。

　�。�1）對比觀察法。人們認(rèn)識事物、現(xiàn)象，往往是通過對兩個事物、現(xiàn)象的對比，或把某一現(xiàn)象發(fā)生變化的前、后情況進(jìn)行比較來實現(xiàn)的。

　　例如，觀察物質(zhì)熔解或凝固時的體積變化，就可以把石蠟放在燒杯里，先用酒精燈徐徐加熱使其全部熔解。這時，觀察到石蠟液面是水平的，標(biāo)出液面與燒杯接觸的高度。撤去酒精燈，等石蠟冷卻全部凝固后，經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)：石蠟面與燒杯接觸的高度雖然沒有明顯的變化，但表面凹下去了。

　　又如，在學(xué)習(xí)沸騰現(xiàn)象時，可以觀察液體在沸騰前和沸騰時的情況，并進(jìn)行比較。這時，要求學(xué)生做到細(xì)致、敏捷、全面、準(zhǔn)確地觀察。結(jié)果會發(fā)現(xiàn)：沸騰前，液體內(nèi)部形成氣泡，氣泡在上升過程中逐漸變大，達(dá)到液面后破裂。通過液體沸騰前、后的情況對比，可以得知：沸騰是液體內(nèi)部和表面都進(jìn)行劇烈地汽化的現(xiàn)象。

　　我們還可以人為地控制條件，使液體分別在常壓、加壓、減壓下沸騰，比較不同情況下的沸騰現(xiàn)象可知：同一種液體，沸點隨外界壓強(qiáng)變化而改變；如果研究對象為不同液體，使它們在相同外界壓強(qiáng)的條件下沸騰，通過對比實驗觀察可知，在相同的壓強(qiáng)下，不同液體的沸點是不同的。

　　從以上兩個例子可以看出：使用對比觀察法，有利于掌握現(xiàn)象的特征以及它與其它類似現(xiàn)象的區(qū)別。

　�。�2）歸納觀察法�？偨Y(jié)一些現(xiàn)象的一般規(guī)律，反映現(xiàn)象的實質(zhì)時，或研究一些涉及變化因素較多的問題時，通常采用歸納觀察法。即通過對個別現(xiàn)象分別進(jìn)行觀察，得到一些個別的結(jié)論，再分析、歸納，從而得出一般的規(guī)律。

　　例如，為了便于研究質(zhì)點的加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，就在先確定質(zhì)量這個因素是不變情況下，觀察加速度與力之間的關(guān)系；然后在確定另一個因素——力是不變的情況下，觀察加速度與質(zhì)量之間的關(guān)系；最后，通過歸納得出牛頓第二運動定律。

　　可見，使用歸納觀察法，有利于掌握現(xiàn)象的實質(zhì)以及研究比較復(fù)雜現(xiàn)象的一般規(guī)律。

　　總之，培養(yǎng)觀察能力，要明確觀察的目的、任務(wù)，激發(fā)學(xué)生的觀察興趣，要使學(xué)生養(yǎng)成善于觀察、勤于思考的習(xí)慣，要教給學(xué)生觀察的方法，對學(xué)生進(jìn)行觀察訓(xùn)練，要求觀察得準(zhǔn)確、全面、細(xì)致、敏捷。

　　6．實驗結(jié)果的表示

　　實驗結(jié)果的表示，首先取決于實驗的物理模式，通過被測量之間的相互關(guān)系，考慮實驗結(jié)果的表示方法。常見的實驗結(jié)果的表示方法是有圖解法和方程表示法。在處理數(shù)據(jù)時可根據(jù)需要和方便選擇任何一種方法表示實驗的最后結(jié)果。

　�。�1）實驗結(jié)果的圖形表示法。把實驗結(jié)果用函數(shù)圖形表示出來，在實驗工作中也有普遍的實用價值。它有明顯的直觀性，能清楚的反映出實驗過程中變量之間的變化進(jìn)程和連續(xù)變化的趨勢。精確地描制圖線，在具體數(shù)學(xué)關(guān)系式為未知的情況下還可進(jìn)行圖解，并可借助圖形來選擇經(jīng)驗公式的數(shù)學(xué)模型。因此用圖形來表示實驗的結(jié)果是每個中學(xué)生必須掌握的。

　　圖解法主要問題是擬合面線，一般可分五步來進(jìn)行。

　　①整理數(shù)據(jù)，即取合理的有效數(shù)字表示測得值，剔除可疑數(shù)據(jù)，給出相應(yīng)的測量誤差。

　�、谶x擇坐標(biāo)紙，坐標(biāo)紙的選擇應(yīng)為便于作圖或更能方使地反映變量之間的相互關(guān)系為原則�？筛鶕�(jù)需要和方便選擇不同的坐標(biāo)紙，原來為曲線關(guān)系的兩個變量經(jīng)過坐標(biāo)變換利用對數(shù)坐標(biāo)就要能變成直線關(guān)系。常用的有直角坐標(biāo)紙、單對數(shù)坐標(biāo)紙和雙對數(shù)坐標(biāo)紙。

　�、圩鴺�(biāo)分度，在坐標(biāo)紙選定以后，就要合理的確定圖紙上每一小格的距離所代表的數(shù)值，但起碼應(yīng)注意下面兩個原則：

　　a.格值的大小應(yīng)當(dāng)與測量得值所表達(dá)的精確度相適應(yīng)。

　　b.為便于制圖和利用圖形查找數(shù)據(jù)每個格值代表的有效數(shù)字盡量采用1、2、4、5避免使用3、6、7、9等數(shù)字。

　�、茏魃Ⅻc圖，根據(jù)確定的坐標(biāo)分度值將數(shù)據(jù)作為點的坐標(biāo)在坐標(biāo)紙中標(biāo)出，考慮到數(shù)據(jù)的分類及測量的數(shù)據(jù)組先后順序等，應(yīng)采用不同符號標(biāo)出點的坐標(biāo)。常用的符號有：×○●△■等，規(guī)定標(biāo)記的中心為數(shù)據(jù)的坐標(biāo)。

　�、輸M合曲線，擬合曲線是用圖形表示實驗結(jié)果的主要目的，也是培養(yǎng)學(xué)生作圖方法和技巧的關(guān)鍵一環(huán)，擬合曲線時應(yīng)注意以下幾點：

　　a.轉(zhuǎn)折點盡量要少，更不能出現(xiàn)人為折曲。

　　b.曲線走向應(yīng)盡量靠近各坐標(biāo)點，而不是通過所有點。

　　c.除曲線通過的點以外，處于曲線兩側(cè)的點數(shù)應(yīng)當(dāng)相近。

　�、拮⒔庹f明，規(guī)范的作圖法表示實驗結(jié)果要對得到的圖形作必要的說明，其內(nèi)容包括圖形所代表的物理定義、查閱和使用圖形的方法，制圖時間、地點、條件，制圖數(shù)據(jù)的來源等。

　�。�2）實驗結(jié)果的方程表示法。方程式是中學(xué)生應(yīng)用較多的一種數(shù)學(xué)形式，利用方程式表示實驗結(jié)果。不僅在形式上緊湊，并且也便于作數(shù)學(xué)上的進(jìn)一步處理。實驗結(jié)果的方程表示法一般可分以下四步進(jìn)行。

　�、俅_立數(shù)學(xué)模型，對于只研究兩個變量相互關(guān)系的實驗，其數(shù)學(xué)模型可借助于圖解法來確定，首先根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在直角坐標(biāo)系中作出相應(yīng)圖線，看其圖線是否是直線，反比關(guān)系曲線，冪函數(shù)曲線，指數(shù)曲線等，就可確定出經(jīng)驗方程的數(shù)學(xué)模型分別為：

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