物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本方法

1、.物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的根本方法物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，而我們目前的物理教學(xué)，根本上是停留在關(guān)于物理學(xué)的知識(shí)系統(tǒng)的歸納和理論體系的闡述上，就連物理實(shí)驗(yàn)本身的教學(xué)，也是按教材的分析按部就班地進(jìn)展純理論的講解其弊端是顯而易見的，假如考察的實(shí)驗(yàn)不是教材所限的實(shí)驗(yàn)?zāi)?？一、?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)的必要性 年上海高考第四題要求測(cè)定陶瓷管上均勻電阻膜的厚度，就屬于設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)但由于題目給出了全部實(shí)驗(yàn)器材和所有相關(guān)量，使實(shí)驗(yàn)定位在電阻或電阻率的測(cè)定上，又大大降低了實(shí)驗(yàn)難度，只屬于部分設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)無論命題者出于何種考慮，設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)畢竟半遮半掩地出現(xiàn)了，這多少給教學(xué)工作者提了個(gè)醒從小處著眼，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué) 上海作為高考改革的試點(diǎn)城市，

2、其成功的改革將為全國(guó)高考提供可能的改革方向，甚至一些新穎的題型和情境，都可能為全國(guó)高考所借鑒如年全國(guó)高考第題就是從年上海高考第一題脫胎而來的無疑上海高考關(guān)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的考察是又一個(gè)成功的改革舉措，極有在全國(guó)推廣的價(jià)值而物理?考試說明?中要求“會(huì)用在這些實(shí)驗(yàn)中學(xué)過的實(shí)驗(yàn)方法，也為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的考察在全國(guó)的推廣提供了可能從大處著眼，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué) 著名核物理學(xué)家錢三強(qiáng)先生在為郭奕玲、沈慧君編著的?物理學(xué)史?所作的序中，曾嚴(yán)厲指出：“今天我們科學(xué)界有一個(gè)弱點(diǎn)，這就是思想不很活潑，這也許跟大家過去受的教育有一定關(guān)系我們常常教育學(xué)生“應(yīng)該“必須；我們的考試題目常常不惜筆墨描繪背景、附加條件，最后只有一個(gè)小小

3、的空格“是這樣培養(yǎng)選拔出來的人才在學(xué)校是好學(xué)生，步入社會(huì)是好職員，大腦中只是機(jī)械地跳動(dòng)著兩個(gè)問題：“你要我做什么？你要我怎么做？工作常常：“完成的相當(dāng)漂亮，但思想僵化，毫無創(chuàng)見這正是我們的悲哀！長(zhǎng)期以來的這種教育選拔形式，致使我們?nèi)缃袢灾荒茉诤苄邼靥岬綆讉€(gè)美籍華人時(shí)才有一種借來的榮光與自豪！思想不活潑，是因?yàn)槲覀兘o了學(xué)生太多的“必須的限制；思想僵化，是因?yàn)槲覀兞艚o學(xué)生太少的“可能的余地實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)，正是活潑思想，培養(yǎng)才能的一種好方法，授以實(shí)驗(yàn)的根本方法，讓學(xué)生自己去考慮有哪些可能的做法，自己會(huì)怎么做二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的根本方法 明確目的，廣泛聯(lián)絡(luò) 題目或課題要求測(cè)定什么物理量，或要求驗(yàn)證、探究什

4、么規(guī)律，這是實(shí)驗(yàn)的目的，是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康拿鞔_后，應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，廣泛聯(lián)絡(luò)，看看該物理量或物理規(guī)律在哪些內(nèi)容中出現(xiàn)過，與哪些物理現(xiàn)象有關(guān)，與哪些物理量有直接的聯(lián)絡(luò)對(duì)于測(cè)量型實(shí)驗(yàn)，被測(cè)量通過什么規(guī)律需用哪些物理量來定量地表示；對(duì)于驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，在相應(yīng)的物理現(xiàn)象中，怎樣的定量關(guān)系成立，才能到達(dá)驗(yàn)證規(guī)律的目的；對(duì)于探究型實(shí)驗(yàn)，在相應(yīng)的物理現(xiàn)象中，涉及哪些物理量這些都是應(yīng)首先分析的舉例來說，要測(cè)定地球外表附近的重力加速度，我們就應(yīng)檢索：在所學(xué)知識(shí)范圍內(nèi)，哪些內(nèi)容涉及到重力加速度，它與其他物理量有何定量關(guān)系，并一一羅列出來：在靜力學(xué)中，靜止物體對(duì)豎直懸繩的拉力或?qū)Τ潭戎С治锏膲毫Υ笮【偷扔谥亓Γ醇?/p>

5、設(shè)或和能測(cè)出，那么重力加速度可測(cè)定在超重或失重但不完全失重系統(tǒng)中，±假設(shè)、和可測(cè)出，那么重力加速度可測(cè)定在運(yùn)動(dòng)學(xué)中，物體從光滑斜面上由靜止下滑，假設(shè)、和可測(cè)定，那么重力加速度也可測(cè)定在運(yùn)動(dòng)學(xué)中，物體從粗糙斜面上由靜止下滑，假設(shè)、和可測(cè)，那么重力加速度也可測(cè)定自由落體運(yùn)動(dòng)中，假設(shè)和可測(cè)出，那么重力加速度也可測(cè)定用重力加速度測(cè)定儀測(cè)定在平拋運(yùn)動(dòng)中，豎直方向在連續(xù)相等的時(shí)間內(nèi)位移之差假設(shè)和可測(cè)，重力加速度同樣可以測(cè)出在斜拋運(yùn)動(dòng)中，程度射程可以表示為假設(shè)、和可測(cè)出，那么重力加速度也可測(cè)出單擺做簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，其周期可以表示為假設(shè)和可測(cè)，那么可測(cè)在焦耳測(cè)定熱功當(dāng)量的實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)能測(cè)出水的質(zhì)量和升高

6、的溫度，算出水增加的內(nèi)能，再測(cè)出重物的質(zhì)量和下落的高度，同樣可測(cè)定重力加速度帶電粒子在的勻強(qiáng)電場(chǎng)平行板電容器中平衡時(shí)，假設(shè)、和帶電粒子的荷質(zhì)比可測(cè)定，那么可測(cè)出假設(shè)一物體在地球外表附近繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，選擇方案，簡(jiǎn)便準(zhǔn)確 對(duì)于每一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模伎赡艽嬖诙鄺l思路、多種方案教材中關(guān)于某個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膶?shí)驗(yàn)方案，也只是眾多方案中的一種，而且不一定是最好的一種，而只是較可行的一種那么在眾多實(shí)驗(yàn)方案中，我們應(yīng)如何選擇呢？一般來說，選擇實(shí)驗(yàn)方案主要有三條原那么：簡(jiǎn)便性原那么即要求所選方案原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，各量易測(cè)應(yīng)盡量防止施行那些原理復(fù)雜、操作繁瑣和被測(cè)量不易直接測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方案可行性原那么實(shí)驗(yàn)方案的施行要平

7、安可靠，不會(huì)對(duì)人身和器材造成危害；所需裝置和器材要易于置備，不能脫離實(shí)際，不能超出現(xiàn)有條件準(zhǔn)確性原那么不同的實(shí)驗(yàn)方案，其實(shí)驗(yàn)原理、所用儀器以及實(shí)驗(yàn)重復(fù)性等方面所引入的誤差是不同的在選擇方案時(shí)，應(yīng)對(duì)各種可能的方案進(jìn)展初步的誤差分析，盡可能選用準(zhǔn)確度高的實(shí)驗(yàn)方案以上三原那么通常要綜合考慮在前述方案中，方案中常用的測(cè)力計(jì)誤差較大；中和均不易測(cè)定；中和不易測(cè)定且難以保證斜面足夠光滑；中、和均不易測(cè)定；中假設(shè)用秒表計(jì)時(shí)人為因素較大，假設(shè)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，紙帶受振針阻力與通常小物塊所受重力相比不能忽略；中儀器先進(jìn)但一般中學(xué)沒有；中假設(shè)用閃光照像技術(shù)那么是一種好方案，但設(shè)備和技術(shù)都達(dá)不到要求，假設(shè)用平拋運(yùn)動(dòng)

8、的研究方法誤差較大；中和的測(cè)量難度較大；中相對(duì)而言較切合中學(xué)實(shí)際；中需測(cè)定的物理量多且很難采取絕熱措施；中學(xué)階段不易測(cè)定荷質(zhì)比；只是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，無法付諸理論，但可估算，代入數(shù)據(jù)得，與標(biāo)準(zhǔn)值只相差?綜上所述，中學(xué)階段通常采用單擺法測(cè)定重力加速度根據(jù)方案，選定器材 實(shí)驗(yàn)方案選定之后，考慮該方案需要哪些裝置，被測(cè)量與哪些物理量有直接的定量關(guān)系，這些物理量分別需用什么儀器來測(cè)定，從而確定整個(gè)實(shí)驗(yàn)需要哪些器材在“用單擺測(cè)定重力加速度的實(shí)驗(yàn)中，是利用單擺裝置來進(jìn)展實(shí)驗(yàn)的，故需鐵架臺(tái)、細(xì)線和擺球等來組裝單擺重力加速度可表示為，周期需用秒表測(cè)定；擺長(zhǎng)是從懸點(diǎn)到擺球中心的間隔 ，因此需用米尺和游標(biāo)卡尺分別測(cè)定

9、擺線長(zhǎng)度和擺球直徑從實(shí)驗(yàn)原理表達(dá)式可以看出，實(shí)驗(yàn)與擺球質(zhì)量無關(guān)，故毋需使用天平當(dāng)然，從實(shí)驗(yàn)方便性和準(zhǔn)確性角度考慮，還需對(duì)所選器材作進(jìn)一步要求，以期把系統(tǒng)誤差降到最小如上述器材中，擺線的伸縮性和質(zhì)量應(yīng)較小，擺球的質(zhì)量應(yīng)較大擺線伸縮性大，其長(zhǎng)度會(huì)隨拉力變化而變化；擺球與擺線質(zhì)量相差越小，系統(tǒng)擺線和擺球質(zhì)心偏離擺球中心越遠(yuǎn)，誤差就越大為了便于觀察，擺球振動(dòng)的途徑宜長(zhǎng)，但又要確保單擺做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，故擺線宜長(zhǎng)些，常取米左右擬定步驟，合理有序 實(shí)驗(yàn)之前，要做到心中有數(shù)：如何組裝器材，哪些量先測(cè)，哪些量后測(cè)，應(yīng)從正確操作和進(jìn)步效率的角度擬定一個(gè)合理而有序的實(shí)驗(yàn)步驟對(duì)一些可直接測(cè)量的物理量，可先行測(cè)量；對(duì)需通過

10、實(shí)驗(yàn)裝置才能測(cè)定的物理量，須先組裝器材，再進(jìn)展實(shí)驗(yàn)、觀察和測(cè)量在“利用單擺測(cè)定重力加速度的實(shí)驗(yàn)中原理表達(dá)式中的和分別為單擺的擺長(zhǎng)和單擺做簡(jiǎn)諧振動(dòng)的周期因此應(yīng)先組裝單擺，再測(cè)定擺長(zhǎng)，最后讓單擺做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，測(cè)定周期根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出重力加速度的值至于過程細(xì)節(jié)不再贅述數(shù)據(jù)處理，誤差分析 高考對(duì)此要求不高，但常用的數(shù)據(jù)處理和誤差分析的方法還是應(yīng)該掌握，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)也應(yīng)予考慮三、建議 我們不能說全國(guó)高考對(duì)中學(xué)教學(xué)起一種指揮棒的作用，但也無法低估高考對(duì)中學(xué)教學(xué)的導(dǎo)向作用，正確認(rèn)識(shí)并充分利用這種導(dǎo)向作用，對(duì)改善中學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀是大有裨益的因此在高考命題上做點(diǎn)文章，使試題內(nèi)涵精些，外延寬些，少些“是什么，多些“怎么樣，思想自然活潑，把戲自然增多以年全國(guó)高考第題為例，假設(shè)把問題改為：“根據(jù)以上數(shù)據(jù)，能否驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律？試用必要的文字和簡(jiǎn)明的算式說明你的觀點(diǎn)這