倍分法在高中物理實驗應用舉隅

李 明 柴宏良

(浙江省衢州第一中學 浙江 衢州 324000)

倍分法在高中物理實驗應用舉隅

李 明 柴宏良

(浙江省衢州第一中學 浙江 衢州 324000)

倍分法是一種重要的實驗研究方法，在科學規律探究、物理實驗教學、實驗創新設計中，研究相關變量之間的定量關系時有著廣泛應用.

倍分法 物理實驗 應用

物理學是以實驗為基礎的自然科學，同時物理研究中蘊含著豐富的科學方法.物理教學要以實驗為基礎，不失時機地滲透科學方法，讓科學方法教育根植于實驗探究的土壤.利用科學方法來設計實驗非常重要，科學方法不僅能簡化實驗過程，而且還可以幫助學生領會實驗的基本原理、設計思路，幫助學生掌握實驗研究的過程.倍分法思想是一種重要的實驗研究方法，當實驗中難以直接測量某個物理量時，可設法將其成倍地減少或增加，研究相關變量之間的定量關系.

筆者在高中物理教學中發現，物理實驗中經常利用倍分法思想來設計和操作實驗，同時，倍分法思想也常出現在物理試題當中.本文列舉若干典型案例，剖析倍分法思想在物理實驗教學、實驗創新設計中的運用，體會在物理實驗中進行科學方法教育的意義.

1 倍分法在科學規律探究中的應用

在科學研究中，常常需要用實驗研究物理量之間的定量關系，但有的物理量在當時的實驗條件下難以準確測量，物理學家常常采用成倍增加或成倍減小該物理量的辦法獲得物理量的定量變化，以此測量物理量之間的關系.這種方法叫做“倍分法”.

這種“倍數”關系在物理學研究中的應用并不鮮見，在密立根實驗中通過測量小油滴的電荷量的倍數關系，推測出最小的電荷量——元電荷.

2 倍分法在高中實驗教學中的運用

案例1：“探究功與速度變化關系”實驗

探究功與速度變化關系的實驗方案有很多，有些實驗方案是要計算出力做功的大小，實驗較為繁瑣，而且誤差較大.課本上介紹了一個較為簡單方便的實驗方案，如圖1所示，此方案就是利用倍分法簡化了實驗.分別利用1根、2根、3根、4根橡皮筋對小車做功，做功大小表示為1W，2W，3W，4W，從而避免直接求功的麻煩，大大簡化了實驗，更為方便快捷地得到功與速度變化的關系.

圖1 探究功與速度變化關系實驗裝置示意圖

案例2：“探究導體電阻與其影響因素的定量關系”實驗

此實驗要研究的是導體電阻與長度、橫截面積之間的定量關系.如果采用倍分的思想方法去研究此實驗，實驗會變得簡單快捷.

研究導體電阻和長度關系時，可以成倍改變電阻絲的長度，然后用數字式多用電表的電阻擋直接測量電阻，實驗發現電阻絲長度成倍改變，測得電阻阻值也成倍變化，因此很快就能得到電阻與導體長度成正比.

研究導體電阻與橫截面積的定量關系時，可以成倍地改變導體的橫截面積，假設1根導線的橫截面積為S，2根導線并聯橫截面積為2S，3根導線并聯橫截面積為3S，4根導線并聯橫截面積為4S.通過成倍改變導線的橫截面積，能很快地得到電阻和橫截面積的關系.

案例3：“探究加速度與力和質量的關系”實驗

探究加速度與力和質量的關系實驗需要用打點計時器測量計算加速度，實驗比較繁瑣而且很費時.實驗可采用雙車位移比較法來探究加速度與力的關系，實驗裝置如圖2所示,利用剎車系統來控制小車運動時間，使兩小車運動時間相同.兩個初速度為零的小車做勻加速直線運動，在相同時間內運動的位移之比即為加速度之比，因此可以利用測量位移大小來代替測量加速度大小.如果再成倍地改變物體的質量或外力F的大小，就可以比較直觀地發現加速度與力和質量的定量關系.

圖2 探究加速度與力和質量的關系實驗裝置示意圖

3 倍分法在實驗創新設計中的運用

案例4：“探究電容的定義式與決定式”創新實驗

(1)探究定義電容器的電容實驗

定義電容，關鍵是要得到Q與U的比值為一常量，也就是Q與U成正比，因此就需要測得電容器的電荷量和電壓.電荷量Q很難測， 我們利用的方法是倍分電荷量法.

圖3 電容定義演示儀

某次實驗中測得的數據如表1所示.

表1 探究電容的定義式與決定式實驗數據

從上表數據很容易得出Q與U成正比的關系，在此實驗結論的基礎上，再用比值定義法定義電容就水到渠成了.

(2)探究電容決定式的實驗

探究電容決定式的創新實驗是利用數字式萬用表電容擋直接測量兩平行板間的電容，也可利用倍分法，研究電容與正對面積、間距的定量關系.

1)電容與平行板間距的關系

改變上下兩極板間的絕緣介質(圖4)有機玻璃的塊數，也就是成倍改變平行板的間距，利用數字式萬用表的電容擋直接測得電容值，從而很快得到電容與間距的定量關系.

圖4 上下極板間放置絕緣介質

2)電容與平行板正對面積的關系

成倍改變平行板間的正對面積，利用數字式萬用表的電容擋直接測得電容值，從而很快得到電容和正對面積的定量關系.

上述兩個電容器均利用了倍分法思想，將不容易測量的物理量測量轉變為倍數關系，大大簡化了實驗過程，讓實驗現象更明顯，定量關系更直觀.在一次公開課教學中利用該創新實驗進行教學，巧妙的實驗設計讓課堂的探究氛圍非常濃厚，學生的思維活動積極踴躍，獲得了聽課教師的高度評價.

案例5：“探究磁場力和通電導線長度及電流關系”創新實驗

高中物理課本中介紹的此實驗方法如圖5所示,在教學中發現，該實驗在可行性方面存在一些問題：

(1)導線擺動后不容易平衡，無法準確測量其擺角.

(2)此實驗需要通很大的電流，實驗室常用的電流表無法測量.

(3)通電導線發生擺動后，導線所在位置磁場的強弱發生變化，不符合實驗要求.

為了解決以上問題，筆者設計、制造了如下創新實驗裝置，如圖6所示.

圖5 探究磁場力和通電導線長度及電流關系實驗

由于導線所受磁場力較小,實驗采用了力矩平衡原理放大磁場力.但直接測量磁場力的數值還是不太方便,實驗巧妙地通過改變配重盆中小鐵釘的個數來定量反映磁場力的大小，比如，1個小鐵釘平衡一個單位的磁場力，放入n個小鐵釘恰好平衡，說明此時的磁場力恰好是n個單位的磁場力.當通電導線電流成倍變化時,只需數出平衡后小鐵釘的個數,就能方便快捷地找到磁場力和電流的關系.同理,成倍改變條形磁鐵個數時,也就是成倍改變受磁場力的通電導線的長度,只要數出平衡后小鐵釘個數,就能方便快捷地找到磁場力和通電導線長度的關系.

圖6 探究磁場力和通電導線長度及電流關系創新實驗

表2是實驗操作獲得的測量數據.

表2 探究磁場力和通電導線長度及

從表中的實驗數據可以看出，用該實驗研究磁場力和電流的成正比關系非常準確，但在研究磁場力和長度的成正比關系時誤差相對大一些.其原因可能是兩塊蹄形磁鐵的磁場強弱有所不同，以及同時放上兩塊蹄形磁鐵時磁場間相互影響所致，以上實驗數據是在多塊磁鐵中挑選了磁性最接近的兩塊的情況下做出的.

4 結束語

總之，倍分法作為重要的科學研究方法，在物理教學中不僅讓學生學習、體會這種研究方法在物理學研究中的重要作用，還可以利用倍分法改進或創新物理實驗，培養學生的探究和創新能力.

2016-12-22)