物理实验设计的基本方法

物理实验设计的基本方法

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，而只是较可行的一种．那么在众多实验方案中，我们应如何选择呢？一般来说，选择实验方案主要有三条原则：（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．