物理實驗設計思路

制定計劃與設計實驗是從操作的角度把探究的猜想與假設具體化、程序化，將猜想與假設落實到具體的操作方案上來。一般來說，其主要有以下幾步，首先分析該探究要解決哪幾個問題；第二分析每個問題有幾種解決辦法，第三依據現有條件和探究要求選擇合適的方法；最后確定需要的器材及操作步驟。從以上幾步看，找出解決問題的辦法是很重要的一個環節，下面我們就重點談談選擇科學探究方法用到的一些思路。

放大

許多實驗現象、待測的物理量等在變化很微小的情況下，不便觀察，難于測量，此時就可采用“放大”的思路。例如，教師上課時為了讓同學們都看清投影片上的圖象，教師使用了投影機投影，將投影片上的圖象放大。根據所要“放大”對象的不同，可采用不同的“放大”原理，例如，下面幾種是我們已用過的放大原理。

1.利用光學原理進行放大。如放大鏡、望遠鏡、顯微鏡、幻燈機等利用光學元件對觀察對象的空間尺度所做的放大。

2.利用累積原理進行放大。對微小量的測量，可采用累計的方法。這是一種間接性的放大。如：薄紙厚度的測量，可測量多張紙的總厚度，再算出一張紙的厚度；細金屬絲的直徑的測量，可繞在鉛筆上多圈后，測出總長度，再算出金屬絲的直徑。

3.利用電子元件進行放大。如擴音器、喇叭等運用電子元件對微小信號所進行的放大。

轉換

用手使勁擠壓玻璃瓶，它會發生形變，你相信嗎？這是真實的，只不過在手施加的壓力作用下發生的形變非常微小，難以直接觀察吧了。若在玻璃瓶中裝滿水，用瓶塞塞緊，瓶塞上插有毛細管，再用手使勁擠壓玻璃瓶，毛細管里的液面明顯升高，怎么樣，事實勝于雄辯。在這里，人們非常巧妙地把要觀察的玻璃瓶形變，轉換為直接觀察毛細管里液面的高低，因而間接地了解到玻璃瓶發生了形變。

實際上我們常常會遇到一些很難直接顯示的物理現象或變化微弱易察覺的物理現象，還有一些不易直接測量或不能直接測量的物理量，這給觀察和測量帶來了很大的困難。怎么力，“轉換”使人思路大開。所謂轉換，就是要把不易直接顯示的物理現象或不易直接測量的物理量，想辦法轉換成其他容易觀察到的現象或容易測量的物理量，從而間接達到觀察或測量的目的。其主要思路就是，根據力、熱、光、電等現象間的轉換關系，從等效的角度進行思考。

例如，我們使用的溫度計，其發明過程中就有轉換思路的功勞。對于溫度的高低人類很難準確的感覺出來，但利用（物質）液體的熱脹冷縮，轉而測量液柱的高低則十分方便。再如，將兩個音叉相向放置，敲響其中一個音叉時，另一個音叉也將發聲，怎樣使同學們都看到這個音叉發聲時的振動呢，教師用了一個很巧的辦法，讓泡沫小球彈起來，從而證明了音叉的振動。這就用到了轉換。其實像電流表測電流、電壓表測電壓等都是轉換為指針的偏轉來觀察的。

認真來說，轉化、放大這兩種思路在解決上述問題的設計中都發揮了積極作用。在實驗設計過程中，若遇到不便觀察的現象或不便測量的物理量，就應該有意識的從轉化角度去思考。

比較

“比較”是人們常用的思維方法，是找出事物之間的差異點和共同點的思維方法，通過事物間相同特征或相異特征的比較，揭示事物的本質和區別。人們認識事物往往是從區別事物的本質特征開始的。而要區別就要有比較，有比較才有鑒別。事物之間在現象上和本質上都存在著同一性和差異性。物理學中有許多物理思維和物理規律具有可比性，因而廣泛應用于物理課程的學習中，在這里我們主要談談比較的思路在物理實驗設計中的應用。

比較就是在一定的實驗條件下找出研究對象之間的同一性和差異性。比較是認識事物的基礎，在物理學中由于研究對象的廣泛性和多樣性，比較的形式也是靈活多樣的，可以是比較某物理現象在實驗時間內前后的變化情況，可以是對幾類物理現象變化過程的比較，也可以比較同一對象在不同條件下的變化情況。

例如，觀察水的沸騰實驗時，要觀察和比較水在沸騰前后氣泡、聲音、溫度等現象的區別，認清沸騰的特點。在探究蒸發與沸騰時，認真比較蒸發與沸騰的區別。在研究透鏡成像的實驗中，就是要比較物體在u>2f，f

以上事例，我們十分熟悉，這些均體現了前人的聰明才智，他們非常巧妙的應用了比較的思路，使實驗的有效性大大增強，從而揭示出事物的本質和區別。這樣的例子還有很多，如對樂音和噪音的比較、體溫計與學校實驗常用溫度計的比較、晶體和非晶體的比較等。前人成功運用比較的思路，給了我們很好的啟示，在實驗設計過程中，要增強比較的意識，充分運用比較的思路，注意找出差異性極大的物理現象或物理概念之間本質上的共同點，又注意找出表面上極為相似的物理現象和物理概念之間本質上的差異。

以上我們重點談了在設計實驗，選擇實驗方法選擇器材時可能應用到放大，轉換和比較的思路，除此之外，還有許多思路，如控制變量，利用平衡構建物理模型等。在解決某一個問題，設計某一個實驗時，可能以一種思路為主，也可能同時要用到幾種思路，具體問題具體對待，在實驗設計過程中注意運用各種思路解決實際問題。另外，對我們一些典型實驗，應該認真領會其實驗設計思想，體會出它們的設計巧妙之處，培養自已的實驗設計能力。

作者單位:

王棣生.中學物理創新教法.北京：學苑出版社，2001.

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