高中物理實驗中的研究方法

馬麗萍

實驗,是自然科學研究的重要方法,也是自然學科教學的重要手段,實驗能力是高考物理學科要考核的五個能力之一。

據對1990～1997年高考試題統計,八年實驗總分平均占14%~25%,略高于考綱的規定。近年來高考對學生的實驗能力提出了更高層次的要求:對實驗的考查已從簡單的背誦實驗轉向考查對實驗的思想、方法和原理的理解以及應用的層次。特別是“3+X”考試科目設置改革,其測試重點是考查學生對所學知識的理解、掌握和運用,因此實驗題對實驗能力考核要求更高,設計性實驗也在所難免。因此,搞好高中物理實驗的復習,摸清實驗中的研究方法也就至關重要。結合大綱,物理實驗教學中有以下八條實驗中的研究方法。

1.理想化法:影響物理現象的因素往往復雜多變,實驗中常可采用忽略某些次要因素或假設一些理想條件的辦法,以突出現象的本質因素,便于深入研究,從而取得實際情況下合理的近似結果(通俗地說就是抓大放小)。

2.平衡法:“物理學中常常利用一個量的作用與另一個(或幾個)量的作用相同、相當或相反來設計實驗、制作儀器、進行測量。”例如測量中的基本工具彈簧秤的設計是利用了力的平衡,天平的設計是根據力矩的平衡,溫度計是利用了熱的平衡。

3.放大法:“在現象、變化、待測物理量十分微小的情況下,往往采用放大法。根據實驗的性質和放大對象的不同,放大所使用的物理方法也各異。”

4.累積法:將微小量累積后測量求平均的方法,能減少相對誤差。實驗中也經常涉及這一方法。例如在《測定金屬電阻率》的實驗中,若沒有螺旋測微器時,也可把金屬在鉛筆上密繞若干圈,由線圈總長度來測出金屬絲的直徑。

5.轉換法:某些物理量不容易直接測量,或某些現象直接顯示有困難,可以采取把所要觀測的變量轉換成其他變量(力、熱、聲、光、電等物理量)的相互轉換進行間接觀察和測量,這就是轉換法,還是以卡文迪許《利用扭秤裝置測定萬有引力恒量實驗》為例,其基本的思維方法便是等效轉換。卡文迪許扭秤發生扭轉后,引力對T 形架的扭轉力矩與石英絲由于彈性形變產主的扭轉力矩這就是等效轉換,間接地達到了無法達到的目的。本實驗中轉換法還應用于石英絲扭轉角度的測量上,這個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的距離間接測出的。

6.控制變量法:在高中物理中的許多實驗,往往存在著多種變化的因素,為了研究它們之間的關系可以先控制一些量不變,依次研究某一個因素的影響。

最典型的例子是《驗證牛頓第二運動定律》的實驗,我們研究的方法是:先保持物體的質量一定,研究加速度與力的關系,再保持力不變研究加速度與質量的關系,最后綜合得出物體的加速度與它受到的合外力及物體質量之間的關系。當然本實驗還涉及到各種系統誤差的產生,限于篇幅不再贅述。

7.留跡法:有些物理現象轉瞬即逝,如運動物體所處的位置,軌跡或圖像等,設法記錄下來,以便從容地測量、比較和研究。例如:在《測定勻變速直線運動的加速度》《驗證牛頓第二運動定律》等實驗中,就是通過紙帶上打出的點記錄下小車(或重物)在不同時刻的位置(位移)及所對應的時刻,從而可從容計算小車在各個位置或時刻的速度并求出加速度。對于簡諧運動,則是通過擺動的漏斗漏出的細沙落在勻速拉動的硬紙板上而記錄下各個時刻擺的位置,從而很方便地研究簡諧運動的圖像。又如利用閃光照相記錄自由落體運動的軌跡等實際。都采用了留跡法。

8.模擬法:有時受客觀條件限制,不能對某些物理現象進行直接實驗和測量,于是就人為地創造一定的模擬條件,在這樣模擬的條件下進行實驗。

由于高考內容日趨拓寬求深,知識交叉部分(特別實行理綜考試)越來越多,能力要求也就更加突出。所以迫切需要摒棄“實驗無關緊要”“講比做好”等錯誤觀念,認真領悟實驗中的思想方法,只有這樣,才能切實抓好實驗教學工作。

作者單位:河北省唐山市豐南區第二中學