物理教學實驗的設計方法

摘要：實驗設計在實驗教學中起著重要作用，設計是做好教學實驗的保證。中學物理教學實驗設計的方法有模擬法、比較法、平衡法、放大法、轉換法、圖像法、極限法、理想化方法等。

關鍵詞：物理教學；實驗設計；實驗方法

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2007)5(S)-0053-3

物理學是一門以實驗為基礎的學科，實驗是物理學最基本、最重要的研究方法。在中學物理教學的過程中加強實驗教學，不僅是向學生傳授科學知識的需要，而且是對學生進行實驗技能訓練、培養學生科學思維能力、使學生掌握科學研究方法、全面發展學生素質的需要。然而，多年來實驗教學仍是一個薄弱環節。一方面，有些學校具備一定的實驗條件，但實驗教學未受到足夠的重視；另一方面，有些學校想開展實驗教學，卻苦于缺乏實驗設備。不論是哪種情況，要想開展好物理實驗教學，都應當先做好兩件事情：一是端正實驗教學態度；二是做好教學實驗設計。態度是做好實驗教學工作的前提，設計是做好教學實驗的保證。一個實驗往往有多種不同的方法和手段來實現，“壇壇罐罐當器材、拼拼湊湊做實驗”、“科學就在身邊、實驗就在手中”也說明了這個道理。利用現有實驗器材或者再添置、開發一些器材，經過精心設計，也可以很好地完成實驗教學任務。可見，實驗設計在實驗教學中起著重要作用。中學物理教學實驗設計的方法有很多種，可將其歸納為以下類別：

1 模擬法：也叫再現法，就是抓住事物的本質特征，模擬自然現象發生的條件，在實驗室里重現自然物理現象和過程，從而揭示物理規律的一種實驗設計方法。

例如：用棱鏡對光進行色散可以模擬彩虹；自然界海市蜃樓的景象持續的時間短促、轉瞬即逝，利用人工方法模擬海市蜃樓，把大自然的壯觀幻景再現出來，使人能較長時間觀察與研究這種現象，并由此揭示其形成機制就是光在非均勻媒質中傳播時光線彎曲所產生的景象；模擬法測繪靜電場，是用電流場模擬靜電場，且它與原靜電場的分布完全一樣，當用探針去測模擬場時，它不受干擾，因此可以通過測量模擬場而間接地達到測量靜電場的目的。2 比較法：比較法是通過實驗對一些物理現象或物理量的對照比較和分析研究，達到異中求同或同中求異的目的，以揭示所研究事物的某種性質或規律的一種實驗設計方法。比較可以采取橫向對比和縱向對比。橫向對比一般是把研究對象分為兩個或兩個以上的組群，一個是對照組，作為比較的標準。另一個是實驗組，通過某種實驗處理確定對實驗組的影響；縱向對比是實驗時間前后的對比，即對同一組進行施加影響因素前和施加影響因素后的對比。

例如：研究物體的沉浮條件時，用重量相等的鋁盒與鋁團作比較；研究自由落體運動時，要否定亞里士多德關于“重的物體先落地”的錯誤觀點，可用質量相等的紙團和紙片做比較演示其下落，進而用牛頓管做實驗比較羽毛與鐵片的下落；把兩種不同的金屬片鉚在一起做成雙金屬片進行受熱膨脹的比較；用黑白顏色截然不同的兩種物體表面來對比物體吸熱本領的不同；在自感現象觀察的實驗中，通過燈泡亮度的比較，顯示自感現象的存在；光譜分析也是運用比較法設計的；用電位差計測電源電動勢，就是在輔助電路上用待測電源與標準電源進行比較的方法。

3 平衡法：所謂平衡，就是矛盾雙方的平衡，分析平衡就是分析矛盾的雙方。在一個平衡的系統中，總存在著偏離平衡的因素，平衡就是指偏離平衡的不同因素的作用相互抵消的效應。在物理教學中，各種不同的平衡情況總對應著一個數學方程式，據此，就可由已知的物理量去尋求未知的物理量。平衡原理應用于實驗設計的例子很多。

例如：利用天平測質量，是依據等臂杠桿平衡時兩邊質量相等的原理；用彈簧秤測力，是根據二力平衡的原理；用托里拆利實驗測大氣壓強，是根據管內一定高度的液柱所產生的壓力與大氣壓力相等；用惠斯登電橋測電阻，是利用電橋的平衡條件R₁/R₂=R_x/R₀來測定；測定金屬的比熱容，是利用系統達到熱平衡時吸熱與放熱相等來實現的；用電位差計測電源電動勢，也是在輔助電路上利用了平衡方法。4 放大法：在物理實驗觀測過程中，有些物理量由于太小而不能直接觀測時，就要借助聲、光、電或疊加等方法，將待測量放大后再進行觀測。中學物理實驗中常用的放大法有：

(1)電放大。例如：用單根導線切割磁感線來產生感應電流的演示實驗，由于感應電流很微弱，可以在示教電表上附加一個放大電路，使感應電流放大從而能在示教電表上明顯地顯示出來。

(2)光放大。例如：利用投影放大驗電器的驗電實驗、電解過程中的化學反應現象、水波的干涉現象；載流導體磁相互作用的實驗投影演示；金屬線脹系數測定實驗中，利用光杠桿放大法將金屬棒的微小膨脹放大后進行測量。

(3)機械放大。例如：熱膨脹的實驗演示中，銅棒受熱膨脹時，其長度的微小變化可以利用機械杠桿機構加以放大后觀察。

(4)疊加放大。例如：用搖繩切割地磁場的磁感線來產生感應電流的演示實驗，由于感應電流太微弱，所以可以用很多股導線捆綁在一起組成搖繩，通過搖繩上多股導線的感應電流的疊加，便可以在示教電表上明顯地顯示出來。

5 轉換法：轉換法是一種間接測量或間接觀察的方法。在物理實驗中，常有一些現象因為不明顯而不易觀察或者不易直接觀察，這時可運用等效的思想，遵循等效的原則，借助力、熱、電、光、機械等方法之間的相互轉換以間接地達到可觀察、容易觀察或觀察效果明顯的目的。

例如：彈簧秤是把力的大小轉換為彈簧的伸長量來測量；固體的熱脹冷縮現象不明顯，可以轉換為指針偏轉或拉斷鋼釘來觀測；伏安法測電阻是把測電阻轉換為測量電壓和電流；邁克爾遜干涉儀則是把測光速轉換成測光的干涉條紋。

6 圖像法：根據實驗所獲得的物體運動軌跡、直觀圖形或數據，借助數學手段建立相應的坐標系，將這些軌跡、圖形或數據反映成坐標系下的圖像，然后加以分析研究，以揭示所研究事物的某種性質或規律的一種實驗設計方法。

例如：研究單擺的振動規律，可以借助沙擺或墨擺在勻速運動紙板上留下的軌跡來實現；研究彈簧振子的振動規律，可以借助傳感器和計算機處理軟件，將其離開平衡位置的位移隨時間的變化規律形成圖像后進行分析；研究波的干涉規律時，借助水波干涉的投影圖像進行觀測分析。

7 極限法：極限法是物理實驗中常用的一種方法(有人稱之為極限思想)。在許多實際情況中，理論是在極限情況(或理想情況)下得到的，而實際上都不可能實現，于是就用極限法來解決。

例如：氣墊導軌上的許多物理實驗都與瞬時速度有關。然而，在這些實驗中所測定的瞬時速度往往是極短時間(或極短距離)內的平均速度=δ_s/δ_t(δ_s是第一、第二擋光邊之間的距離，δ_t是兩次擋光之間的時間間隔)，由于無法做到δt→0，所以后者只能是前者的近似值。為了測得真正意義下的瞬時速度，可以采用極限法來解決：測出從待測點A起逐漸變短(即擋光距離δs不斷變小)的若干個δt內的，畫出-δ_t圖線。對于勻變速直線運動，它是一條方程為=v_A+a/2δ_t的直線。將圖線延伸(外推)到坐標δ_t=0處，對應的值(直線截距)就等于A點的瞬時速度v_A。

8 理想化方法：理想化方法就是通過實驗，同時借助邏輯思維和想象力，有意識地突出研究對象的主要條件，完全排除次要因素和無關因素的干擾，在大腦中形成理想化的研究客體或各因素之間的相互聯系，從而探索物理世界內在奧秘的一種科學抽象的方法。理想化方法一般有三種形式：對物理條件理想化——抓住起主要作用的條件，完全忽略其它條件的影響；建立理想模型——分為對象模型和過程模型；進行理想實驗。

例如：用紙帶落體法研究自由落體運動規律，是忽略空氣阻力和撞針對紙帶阻力影響后的理想化實驗；探究單擺振動規律的實驗，首先是用變式實驗抽象出單擺模型，然后是在擺角小于5°的情況下、且在忽略空氣阻力影響后進行的理想化實驗；實驗室里所做的有關研究理想氣體狀態變化規律的實驗也都是理想化實驗；對于伽利略，很多人都知道其比薩斜塔實驗，但他更為重要的實驗應當是斜面理想實驗，由此得到了慣性定律，并為物理學奠定了重要的方法論基礎。

當然，實驗設計方法遠不止這些，而且一個實驗中可能會貫穿多個方法。關鍵是明確并掌握了這些實驗設計方法，就可以在物理教學的過程中，運用現有實驗器材或經適當配置，通過恰當的實驗設計而很好地完成實驗教學任務。

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(欄目編輯王柏廬)

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