物理实验设计的基本方法

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  物理学是一门实验科学,而我们目前的物理教学,基本上是停留在关于物理学的知识系统的归纳和理论体系的阐述上,就连物理实验本身的教学,也是按教材的分析按部就班地进行纯理论的讲解。其弊端是显而易见的,如果考查的实验不是教材所限的实验呢?
  一、明确目的,广泛联系
  题目或课题要求测定什么物理量,或要求驗证、探索什么规律,这是实验的目的,是实验设计的出发点。实验目的明确后,应用所学知识,广泛联系,看看该物理量或物理规律在哪些内容中出现过,与哪些物理现象有关,与哪些物理量有直接的联系。对于测量型实验,被测量通过什么规律需用哪些物理量来定量地表示;对于验证型实验,在相应的物理现象中,怎样的定量关系成立,才能达到验证规律的目的……这些都是应首先分析的。
  比如要测定地球表面附近的重力加速度,我们就应在所学知识范围内检索,哪些内容涉及到重力加速度,它与其他物理量有何定量关系,并罗列出来:
  1.在静力学中,静止物体对竖直悬绳的拉力或对水平支持物的压力大小就等于重力,即T=N=mg。若T(或N)和m能测出,则重力加速度g可测定。
  2.在超重或失重(但不完全失重)系统中,F⊥-mg=±ma⊥。若F⊥、a⊥和m可测出,则重力加速度g可测定。
  3.在运动学中,物体从光滑斜面上静止下滑,s=12gsinθt2。若s、θ和t可测定,则重力加速度g也可测定。
  4.在运动学中,物体从粗糙斜面上由静止下滑,s=12(gsinθ-μgcosθ)t2。若s、θ、μ和t可测,则重力加速度g也可测定。
  5.自由落体运动中,h=12gt2。若h和t可测出,则重力加速度g也可测定。
  6.用重力加速度测定仪测定。
  7.在平抛运动中,竖直方向在连续相等的时间内位移之差Δy=gt2。若Δy和t可测,重力加速度g同样可以测出。
  8.在斜抛运动中,水平射程可以表示为x=vo2sin2θ/g。若x、v0和θ可测出,则重力加速度g也可测出。
  9.单摆做简谐振动时,其周期可以表示为T=2π1/g。若T和l可测,则g可测。
  10.在焦耳测定热功当量的实验中,若能测出水的质量和升高的温度,算出水增加的内能,再测出重物的质量和下落的高度,同样可测定重力加速度。
  二、选择方案,简便精确
  一般来说,选择实验方案主要有以下三条原则:
  1.简便性原则
  即要求所选方案原理简单、操作简便,各量易测。应尽量避免实施那些原理复杂、操作繁琐和被测量不易直接测量的实验方案。
  2.可行性原则
  实验方案的实施要安全可靠,不会对人身和器材造成危害;所需装置和器材要易于置备,不能脱离实际,不能超出现有条件。
  3.精确性原则
  不同的实验方案,其实验原理、所用仪器以及实验重复性等方面所引入的误差是不同的。在选择方案时,应对各种可能的方案进行初步的误差分析,尽可能选用精确度高的实验方案。
  在前述方案中,方案1中常用的测力计误差较大;2中F⊥和a⊥均不易测定;3中θ和t不易测定且难以保证斜面足够光滑;4中θ、t和μ均不易测定;5中若用秒表计时人为因素较大,若用打点计时器计时,纸带受振针阻力与通常小物块所受重力相比不能忽略;6中仪器先进但一般中学没有;7中若用闪光照像技术则是一种好方案,但设备和技术都达不到要求,若用平抛运动的研究方法误差较大;8中θ和v0的测量难度较大;9中相对而言较切合中学实际;10中需测定的物理量多且很难采取绝热措施;11中学阶段不易测定荷质比;12只是一个思想实验,无法付诸实践,但可估算,代入数据得g=9.857m/s2,与标准值9.81m/s2只相差4.8综上所述,中学阶段通常采用单摆法测定重力加速度。
  三、依据方案,选定器材
  实验方案选定之后,考虑该方案需要哪些装置,被测量与哪些物理量有直接的定量关系,这些物理量分别需用什么仪器来测定,从而确定整个实验需要哪些器材。
  在“用单摆测定重力加速度”的实验中,是利用单摆装置来进行实验的,故需铁架台、细线和摆球等来组装单摆。重力加速度可表示为g=4π21/T2,周期需用秒表测定;摆长l是从悬点到摆球中心的距离,因此需用米尺和游标卡尺分别测定摆线长度l和摆球直径d。从实验原理表达式可以看出,实验与摆球质量无关,故毋需使用天平。从实验方便性和精确性角度考虑,还需对所选器材作进一步要求,以期把系统误差降到最小。如上述器材中,摆线的伸缩性和质量应较小,摆球的质量应较大。摆线伸缩性大,其长度会随拉力变化而变化;摆球与摆线质量相差越小,系统(摆线和摆球)质心偏离摆球中心越远,误差就越大。
  四、拟定步骤,合理有序
  实验之前,要做到心中有数:如何组装器材,哪些量先测,哪些量后测,应从正确操作和提高效率的角度拟定一个合理而有序的实验步骤.对一些可直接测量的物理量,可先行测量;对需通过实验装置才能测定的物理量,须先组装器材,再进行实验、观察和测量。
  总而言之,要改善中学物理教学现状,尤其是实验教学,培养思想活跃、有创新精神和创造能力的跨世纪人才,既需初中教育工作者的切实努力,也需全国中考的积极正确导向。
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