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物理实验设计的基本方法 2007年10月20日 来源:网友供稿 作者:未知 字体:[大 中 小] ??? 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、实验设计教学的必要性 １９９６ 年上海高考第四（５）题要求测定陶瓷管上均匀电阻膜的厚度，就属于设计型实验．但由于题目给出了全部实验器材和所有相关量，使实验定位在电阻或电阻率的测 定上，又大大降低了实验难度，只属于局部设计型实验．无论命题者出于何种考虑，设计型实验毕竟半遮半掩地出现了，这多少给教学工作者提了个醒． １．从小处着眼，加强实验设计教学 上 海作为高考改革的试点城市，其成功的改革将为全国高考提供可能的改革方向，甚至一些新颖的题型和情境，都可能为全国高考所借鉴．如１９９６年全国高考第 ２１题就是从１９９５年上海高考第一（５）题脱胎而来的．无疑上海高考关于实验设计的考查是又一个成功的改革举措，极有在全国推广的价值．而物理《考试说明》中要求“会用在这些实验中学过的实验方法”，也为实验设计的考查在全国的推广提供了可能． ２．从大处着眼，加强实验设计教学 著名核物理学家钱三强先生在为郭奕玲、沈慧君编著的《物理学 史》所作的序中，曾严厉指出：“今天我们科学界有一个弱点，这就是思想不很活泼，这也许跟大家过去受的教育有一定关系……”我们常常教育学生“应 该……”“必须……”；我们的考试题目常常不惜笔墨描述背景、附加条件，最后只有一个小小的空格“是……”．这样培养选拔出来的人才在学校是好学生，步入 社会是好职员，大脑中只是机械地跳动着两个问题：“你要我做什么？你要我怎么做？”工作常常：“完成”的相当漂亮，但思想僵化，毫无创见．这正是我们的悲 哀！长期以来的这种教育选拔模式，致使我们现在仍只能在很羞涩地提到几个美籍华人时才有一种借来的荣光与自豪！ 思想不活跃，是因为我们给了学生太多的“必须”的限制；思想僵化，是因为我们留给学生太少的“可能”的余地．实验设计的教学，正是活跃思想，培养能力的一种好方法，授以实验的基本方法，让学生自己去考虑有哪些可能的做法，自己会怎么做． 二、实验设计的基本方法 １．明确目的，广泛联系 题目或课题要求测定什么物理量，或要求验证、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；对于探索型实验，在相应的物理现象中，涉及哪些物理量……这些都是应首先分析的． 举例来说，要测定地球表面附近的重力加速度，我们就应检索：在所学知识范围内，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，并一一罗列出来： （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，物体从光滑斜面上由静止下滑，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＝ｖ０２ｓｉｎ２θ／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＝２πｌ／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． （１１）带电粒子在的匀强电场平行板电容器中平衡时，ｍｇ＝ｑＵ／ｄ．若Ｕ、ｄ和带电粒子的荷质比（ｑ／ｍ）可测定，则ｇ可测出． （１２）假设一物体在地球表面附近绕地球做圆周运动，ｍｇ＝ＧＭｍ／Ｒ２，ｇ＝ＧＭ／Ｒ２． ………… ２．选择方案，简便精确 对于每一个实验目标，都可能存在多条思路、多种方案．教材中关于某个实验目标的实验方案，也只是众多方案中的一种，而且不一定是最好的一种，