高中物理實驗中的研究方法

李 波

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幾種研究方法。

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)。例如在《用單擺測定重力加速度》的實驗中,假設懸線不可伸長,懸點的摩擦和小球在擺動過程的空氣阻力不計;在電學實驗中把電壓表變成內阻是無窮大的理想電壓表,電流表變成內阻等于0的理想電流表等等實際都采用了理想化法。

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。例如:在《測定金屬電阻率》實驗中所使用的螺旋測微器:主尺上前進(或后退)0.5毫米,對應副尺上有5n個等分,實際上是對長度的機械放大;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角顯示出來。又比如在《卡文迪許實驗》,其測定萬有引力恒量的思路最后轉移到光點的移動(跟庫侖靜電力扭秤實驗一樣),都是將微小形變放大方法的具體應用。

4.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。實驗中也經常涉及這一方法。例如,在《用單擺測定重力加速度》實驗中,需要測定單擺周期,用秒表測一次全振動的時間誤差很大,于是采用測量30~50次全振動的時間t,從而求出單擺的周期T=t/n(n為全振動次數)。又如在《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。

轉換法是一種較高層次的思維方法。是在對事物本質深刻認識的基礎上才產生的一種飛躍。如變曲為直實際上就是該方法的應用。

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。

此外在高中物理實驗中還有比較法、替代法、補償法、留跡法、模擬法等。

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,認真領悟真實驗中的思想方法,只有這樣,才能切實抓好實驗教學工作。

作者單位:河北省唐山市灤縣第二中學