中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的研究方法

魏家恩

【摘 要】實(shí)驗(yàn)考察是中考和高考物理必考的內(nèi)容之一,而很多學(xué)生在實(shí)驗(yàn)題上丟分嚴(yán)重。本文作者根據(jù)自己在實(shí)驗(yàn)中的體會(huì)和一些做法,結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)和教材,摸清實(shí)驗(yàn)中的研究方法,從而促進(jìn)物理的學(xué)習(xí),在中考和高考物理實(shí)驗(yàn)中取得不錯(cuò)的成績。

【關(guān)鍵詞】物理實(shí)驗(yàn) 研究方法

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俏锢韺W(xué)科必考內(nèi)容。 我對近幾年中考和高考試題分析,近年來對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ岢隽烁邔哟蔚囊?對實(shí)驗(yàn)的考查己從簡單的背誦實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向考查對實(shí)驗(yàn)的思想、方法和原理的理解以及應(yīng)用的層次。特別是高考“3+X”考試科目設(shè)置改革,中考也在轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)?zāi)芰疾椤Ｆ錅y試重點(diǎn)是考查學(xué)生對所學(xué)知識(shí)的理解、掌握和運(yùn)用,因此實(shí)驗(yàn)題對實(shí)驗(yàn)?zāi)芰己艘蟾?設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)也在所難免。因此,搞好中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的復(fù)習(xí),摸清實(shí)驗(yàn)中的研究方法也就至關(guān)重要。結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)和教材,物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要有以下七條實(shí)驗(yàn)中的研究方法。

一、控制變量法

指在物理實(shí)驗(yàn)中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。是在初中物理實(shí)驗(yàn)中用的最多的研究方法,如研究影響蒸發(fā)快慢的因素實(shí)驗(yàn);探究電流與電壓、電阻關(guān)系的實(shí)驗(yàn);探究電阻與那些因素有關(guān)的實(shí)驗(yàn)?;探究動(dòng)能、重力勢能與那些因素有關(guān)的實(shí)驗(yàn); 最典型的例子是高中《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。

二、累積法

將微小量累積后測量求平均的方法,能減小相對誤差。實(shí)驗(yàn)中也經(jīng)常涉及這一方法。例如,測一張紙的厚度可測100張紙的厚度再求一張紙的厚度;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=t/n(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),也可把金屬在鉛筆上密繞若干圈,由線圈總長度來測出金屬絲的直徑。

三、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,如磁鐵的磁性強(qiáng)弱可以通過吸引大頭針的多少來見接顯示;風(fēng)力的大小可以通過樹的彎曲成程度來觀察;又如卡文迪許《利用扭秤裝置測定萬有引力恒量實(shí)驗(yàn)》為例:其基本的思維方法便是等效轉(zhuǎn)換。卡文迪許扭秤發(fā)生扭轉(zhuǎn)后,引力對T 形架的扭轉(zhuǎn)力矩與石英絲由于彈性形變產(chǎn)主的扭轉(zhuǎn)力矩這就是等效轉(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)的距離間接測出的。

轉(zhuǎn)換法是一種較高層次的思維方法。是對事物本質(zhì)深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上才產(chǎn)生的一種飛躍。如變曲為直實(shí)際上就是該方法的應(yīng)用。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(通俗他說就是抓大放小)。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)中把電壓表變成內(nèi)阻是無窮大的理想電壓表,電流表變成內(nèi)阻等于0的理想電流表等等實(shí)際都采用了理想化法。

四、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)中所便用的螺旋測微器,主尺上前進(jìn)(或后退)0.5毫米,對應(yīng)副尺上有5n個(gè)等分,實(shí)際上是對長度的機(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。又比如在《卡文迪許扭實(shí)驗(yàn)》,其測定萬有引力恒量的思路最后轉(zhuǎn)移到光點(diǎn)的移動(dòng)(跟“庫侖靜電力扭枰實(shí)驗(yàn)一樣),都是將微小形變放大方法的具體應(yīng)用。

五、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。

六、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;又如利用閃光照相記錄自由落體運(yùn)動(dòng)的軌跡等實(shí)際。都采用了留跡法。

七、模擬法

有時(shí)受客觀條件限制,不能對某些物理現(xiàn)象送行直接實(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《電場中等勢線的描繪》實(shí)驗(yàn)中,因?yàn)閷o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。

此外在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中還有比較法、替代法、補(bǔ)償法等。物理作為一門建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的學(xué)科,由于中考和高考內(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,另外對學(xué)生整體物理水平的提高有極大的幫助。所以,我們在平時(shí)的教學(xué)中一定要重視物理實(shí)驗(yàn)的研究方法,加強(qiáng)對學(xué)生的引導(dǎo),使他們真正領(lǐng)會(huì)物理實(shí)驗(yàn)方法的精髓,從而促進(jìn)物理的學(xué)習(xí),在中考和高考物理實(shí)驗(yàn)中取得不錯(cuò)的成績。