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物理是一门以实验为基础的科学,实验是观察现象、研究规律、培养兴趣、提高能力的重要方法和手段,实验能力是高考物理学科要考核的五个能力之一,《物理教学考试大纲》中的“实验能力”中要求会“运用学过的实验方法”。以下对高中物理涉及的几种重要实验方法加以论述。
一、理想化法
影响物理现象的因素往往复杂多变,实验中常可采用忽略某些次要因素或假设一些理想条件的办法,以突出现象的本质因素,便于深入研究,从而取得实际情况下合理的近似结果(通俗他说就是抓大放小)。例如在“用单摆测定重力加速度”的实验中,假设悬线不可伸长,悬点的摩擦和小球在摆动过程的空气阻力不计;在电学实验中把电压表变成内阻是无穷大的理想电压表,电流表变成内阻等于0的理想电流表等等实际都采用了理想化法。
二、直接比较法
高中物理的某些实验,只需定性地确定物理量间的关系,或将实验结果与标准值相比较,就可得出实验结论的,这即是直接比较法。如在“研究电磁感应现象”的实验中,可在观察记录的基础上,经过比较和推理,得出产生感应电流的条件和判定感应电流的方向的方法。
三、平衡法
物理学中常常利用一个量的作用与另一个(或几个)量的作用相同、相当或相反来设计实验,制作仪器,进行测量。例如测量中的基本工具弹簧秤的设计是利用了力的平衡,天平的设计是根据力矩的平衡;温度计是利用了热的平衡。
四、放大法
在现象、变化、待测物理量十分微小的情况下,往往采用放大法。根据实验的性质和放大对象的不同,放大所使用的物理方法也各异。如游标卡尺、放大镜、显微镜、示波器等仪器都是按放大原理制成的。在“测定金属电阻率”实验中所便用的螺旋测微器:主尺上前进(或后退)0.5毫米,对应副尺上有5n个等分,实际上是对长度的机械放大。许多电表如电流表、电压表是利用一根较长的指针把通电后线圈的偏转角显示出来。又比如在《卡文迪许扭秤实验》,其测定引力常量的思路最后转移到光点的移动,跟库仑静电力扭秤实验一样,都是将微小形变放大的具体应用。
五、模拟法
有时受客观条件的限制,不能对某些物理现象进行直接实验和测量,于是就人为地创造一定的模拟条件,在这样模拟的条件下进行实验。模拟法是一种间接实验的方法,它是通过与原型相似的模型,来说明原型的规律性。模拟法在中学物理实验中的典型应用是“电场中等势线的描绘”这一实验。由于直接描绘静电场的等势线很困难,而恒定电流的电场与静电场相似,所以用恒定电流的电场模拟静电场中等势线的分布情况。
六、累积法
将微小量累积后测量求平均的方法,能减小相对误差。实验中也经常涉及这一方法。例如,在“用单摆测定重力加速度”实验中,需要测定单摆周期,用秒表测一次全振动的时间误差很大,于是采用测量30-50次全振动的时间t,从而求出单摆的周期t=t/n(n为全振动次数)。又如在“测定金属电阻率”的实验中,若没有螺旋测微器时,也可把金属在铅笔上密绕若干圈,由线圈总长度来测出金属丝的直径。
七、控制变量法
在高中物理中的许多实验,往往存在着多种变化的因素,为了研究它们之间的关系可以先控制一些量不变,依次研究某一个因素的影响。最典型的例子是“验证牛顿第二运动定律”的实验,我们研究的方法是:先保持物体的质量一定,研究加速度与力的关系,再保持力不变研究加速度与质量的关系,最后综合得出物体的加速度与它受到的合外力及物体质量之间的关系。在研究欧姆定律的实验中,先控制电阻一定,研究电流与电压的关系,再控制电压一定,研究电流和电阻的关系。
八、转换法
转换法是物理实验中常用的方法。例如,以卡文迪许“利用扭秤装置测定万有引力恒量实验”为例。其基本的思维方法便是等效转换。卡文迪许扭秤发生扭转后,引力对t形架的扭转力矩与石英丝由于弹性形变产主的扭转力矩这就是等效转换,间接地达到了无法达到的目的。本实验中转换法还应用于石英丝扭转角度的测量上,这个角度不是直接测出的,而是利用平面镜反射光在刻度尺上移动的距离间接测出的。又如测力计是把力的大小转化为弹簧的伸长量;打点计时器是把流逝的时间转换成振针的周期性振动;电流表是利用电流在磁场中受力,把电流转换成指针的偏转角。转换法是一种较高层次的思维方法。是对事物本质深刻认识的基础上才产生的一种飞跃。如变曲为直实际上就是该方法的应用。
九、等效替代法
等效法也是物理实验中常用的方法。如在“验证力的平行四边形定则”的实验中,要求用一个弹簧秤单独拉橡皮条时,要与用两个弹簧秤互成角度同时拉橡皮条产生的效果相同——使结点到达同一位置O,即要在合力与分力等效的条件下,才能找出它们之间合成与分解时所遵守的关系——平行四边形定则;在“碰撞中的动量守恒”实验中,用小球的水平位移代替小球的水平速度;画电场中等势线分布时用电流场模拟静电场;验证牛顿第二定律时调节木板倾角,用重力的分力抵消摩擦力的影响,等效于小车不受阻力等等。
由于高考内容日趋拓宽求深,知识交叉部分(特别实行理综考试)越来越多,能力要求也就更加突出。所以迫切需要摒弃“实验无关紧要”“讲比做好”等错误观念,认真领悟真实验中的思想方法。只有这样,才能切实抓好实验教学工作。
一、理想化法
影响物理现象的因素往往复杂多变,实验中常可采用忽略某些次要因素或假设一些理想条件的办法,以突出现象的本质因素,便于深入研究,从而取得实际情况下合理的近似结果(通俗他说就是抓大放小)。例如在“用单摆测定重力加速度”的实验中,假设悬线不可伸长,悬点的摩擦和小球在摆动过程的空气阻力不计;在电学实验中把电压表变成内阻是无穷大的理想电压表,电流表变成内阻等于0的理想电流表等等实际都采用了理想化法。
二、直接比较法
高中物理的某些实验,只需定性地确定物理量间的关系,或将实验结果与标准值相比较,就可得出实验结论的,这即是直接比较法。如在“研究电磁感应现象”的实验中,可在观察记录的基础上,经过比较和推理,得出产生感应电流的条件和判定感应电流的方向的方法。
三、平衡法
物理学中常常利用一个量的作用与另一个(或几个)量的作用相同、相当或相反来设计实验,制作仪器,进行测量。例如测量中的基本工具弹簧秤的设计是利用了力的平衡,天平的设计是根据力矩的平衡;温度计是利用了热的平衡。
四、放大法
在现象、变化、待测物理量十分微小的情况下,往往采用放大法。根据实验的性质和放大对象的不同,放大所使用的物理方法也各异。如游标卡尺、放大镜、显微镜、示波器等仪器都是按放大原理制成的。在“测定金属电阻率”实验中所便用的螺旋测微器:主尺上前进(或后退)0.5毫米,对应副尺上有5n个等分,实际上是对长度的机械放大。许多电表如电流表、电压表是利用一根较长的指针把通电后线圈的偏转角显示出来。又比如在《卡文迪许扭秤实验》,其测定引力常量的思路最后转移到光点的移动,跟库仑静电力扭秤实验一样,都是将微小形变放大的具体应用。
五、模拟法
有时受客观条件的限制,不能对某些物理现象进行直接实验和测量,于是就人为地创造一定的模拟条件,在这样模拟的条件下进行实验。模拟法是一种间接实验的方法,它是通过与原型相似的模型,来说明原型的规律性。模拟法在中学物理实验中的典型应用是“电场中等势线的描绘”这一实验。由于直接描绘静电场的等势线很困难,而恒定电流的电场与静电场相似,所以用恒定电流的电场模拟静电场中等势线的分布情况。
六、累积法
将微小量累积后测量求平均的方法,能减小相对误差。实验中也经常涉及这一方法。例如,在“用单摆测定重力加速度”实验中,需要测定单摆周期,用秒表测一次全振动的时间误差很大,于是采用测量30-50次全振动的时间t,从而求出单摆的周期t=t/n(n为全振动次数)。又如在“测定金属电阻率”的实验中,若没有螺旋测微器时,也可把金属在铅笔上密绕若干圈,由线圈总长度来测出金属丝的直径。
七、控制变量法
在高中物理中的许多实验,往往存在着多种变化的因素,为了研究它们之间的关系可以先控制一些量不变,依次研究某一个因素的影响。最典型的例子是“验证牛顿第二运动定律”的实验,我们研究的方法是:先保持物体的质量一定,研究加速度与力的关系,再保持力不变研究加速度与质量的关系,最后综合得出物体的加速度与它受到的合外力及物体质量之间的关系。在研究欧姆定律的实验中,先控制电阻一定,研究电流与电压的关系,再控制电压一定,研究电流和电阻的关系。
八、转换法
转换法是物理实验中常用的方法。例如,以卡文迪许“利用扭秤装置测定万有引力恒量实验”为例。其基本的思维方法便是等效转换。卡文迪许扭秤发生扭转后,引力对t形架的扭转力矩与石英丝由于弹性形变产主的扭转力矩这就是等效转换,间接地达到了无法达到的目的。本实验中转换法还应用于石英丝扭转角度的测量上,这个角度不是直接测出的,而是利用平面镜反射光在刻度尺上移动的距离间接测出的。又如测力计是把力的大小转化为弹簧的伸长量;打点计时器是把流逝的时间转换成振针的周期性振动;电流表是利用电流在磁场中受力,把电流转换成指针的偏转角。转换法是一种较高层次的思维方法。是对事物本质深刻认识的基础上才产生的一种飞跃。如变曲为直实际上就是该方法的应用。
九、等效替代法
等效法也是物理实验中常用的方法。如在“验证力的平行四边形定则”的实验中,要求用一个弹簧秤单独拉橡皮条时,要与用两个弹簧秤互成角度同时拉橡皮条产生的效果相同——使结点到达同一位置O,即要在合力与分力等效的条件下,才能找出它们之间合成与分解时所遵守的关系——平行四边形定则;在“碰撞中的动量守恒”实验中,用小球的水平位移代替小球的水平速度;画电场中等势线分布时用电流场模拟静电场;验证牛顿第二定律时调节木板倾角,用重力的分力抵消摩擦力的影响,等效于小车不受阻力等等。
由于高考内容日趋拓宽求深,知识交叉部分(特别实行理综考试)越来越多,能力要求也就更加突出。所以迫切需要摒弃“实验无关紧要”“讲比做好”等错误观念,认真领悟真实验中的思想方法。只有这样,才能切实抓好实验教学工作。