物理實驗概述與設(shè)計(第1章)課件

物理實驗設(shè)計與研究華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院程敏熙chengminxi@163.com物理實驗設(shè)計與研究華南師范大學(xué)物理與電信工程1參考書：張德啟.物理實驗教學(xué)研究.科學(xué)出版社2005.8朱鶴年編著.基礎(chǔ)物理實驗教程－物理測量的數(shù)據(jù)處理與實驗設(shè)計.高等教育出版社.2003李靜、厲志明.普通物理實驗.華南理工大學(xué)出版社.1994.張軍鵬主編.物理教學(xué)與學(xué)業(yè)評價.廣東教育出版社.2005參考刊物：《物理實驗》、《教學(xué)儀器與實驗》（原版、新課程研究、中學(xué)版）、《實驗教學(xué)與儀器》目前在用的中學(xué)物理教材參考書：2

第1章物理實驗設(shè)計與教學(xué)研究1.1課程的目的與任務(wù)（1）學(xué)習(xí)和討論初中、高中新課程標準，明確中學(xué)物理實驗教學(xué)的目的，提高中學(xué)物理實驗教學(xué)技能。（2）改變自身的教育理念，發(fā)揮各種物理實驗教學(xué)方式的作用（分組實驗、演示實驗、課外實驗等），促進中學(xué)生實驗技能的形成和發(fā)展。（3）熟悉中學(xué)物理實驗基本儀器，熟悉實驗內(nèi)容。新設(shè)計實驗或改進實驗。親自參與和指導(dǎo)學(xué)生參與實驗。（4）開展物理實驗設(shè)計和教學(xué)設(shè)計的研究，建設(shè)中學(xué)物理實驗室。發(fā)動同事、領(lǐng)導(dǎo)重視物理實驗教學(xué)。第1章物理實驗設(shè)計與教學(xué)研究1.1課程的目的與任務(wù)31.2課程的教學(xué)要求（1）強調(diào)基礎(chǔ)，發(fā)展能力（強調(diào)基本原理、強調(diào)基本儀器和工具、強調(diào)基本方法和技術(shù)、強調(diào)培養(yǎng)操作能力和觀察能力）（2）突出學(xué)生主體地位（教、學(xué)角色的轉(zhuǎn)變；運用各種實驗教學(xué)形式：演示、分組、課外）（3）重視現(xiàn)代化手段在物理實驗中的應(yīng)用（電化教育設(shè)備、計算機軟件和硬件、計算機輔助實驗教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、仿真實驗）（4）形成合理地進行實驗教與學(xué)評價的理念1.2課程的教學(xué)要求41.3物理實驗在物理學(xué)發(fā)展中的作用（1）物理實驗的概念物理學(xué)的基本特點是它的實踐性，它是一門以實驗為基礎(chǔ)的高度定量化的科學(xué)。物理學(xué)是人類認識物質(zhì)世界及其運動規(guī)律的基本途徑，是物理知識的源泉，也是檢驗物理理論的標準。1.3物理實驗在物理學(xué)發(fā)展中的作用5科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對人才的開拓、創(chuàng)新能力提出了越來越高的要求，因此，學(xué)校教育中加強學(xué)生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)和訓(xùn)練，強化物理實驗課已成為深化教育改革的一項重要任務(wù)。物理實驗設(shè)計，從教學(xué)的角度來說，能幫助教師講解新概念、傳授新知識。從學(xué)習(xí)的角度來說，能幫助學(xué)生理解概念，鞏固已經(jīng)學(xué)會知識，提高學(xué)習(xí)興趣?？茖W(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對人才的開拓、創(chuàng)新能力提出了越來越高的要6（2）什么是物理實驗？

物理實驗是人們在一定調(diào)控條件下，借助一定的觀測手段，有目的有計劃地對物理客體進行直接觀測研究的探索活動，其目的在于認識物質(zhì)結(jié)構(gòu)，探索物理變化的特性和規(guī)律，揭示各種物理因素之間的聯(lián)系和物理現(xiàn)象的本質(zhì)，或者對物理理論進行驗證。（2）什么是物理實驗？物理實驗是人們在一定7物理實驗的含義：要運用儀器設(shè)備，人為地控制、創(chuàng)造或純化某種自然過程，使它按預(yù)期的進程發(fā)展，也可以讓它重復(fù)、再現(xiàn)，同時盡可能減少干擾地進行觀測，以實驗者為主體探究物理過程變化規(guī)律的科學(xué)活動。是搜集事實、取得經(jīng)驗、總結(jié)規(guī)律的必要途徑。物理實驗的含義：要運用儀器設(shè)備，人為地控制、創(chuàng)造或純化某種自8（3）物理實驗的基本結(jié)構(gòu)實驗者——實驗活動的主體，處于主動地位，對實驗過程起主導(dǎo)作用。實驗對象——實驗研究的客體，含天然客體、人工制備的樣品或模擬物，是信息源。實驗儀器——實驗者與實驗對象之間傳遞雙向作用的中介物，是實驗者作用于實驗對象的一切物質(zhì)手段的總和。其主要作用是延長人的感官甚至人腦的部分功能。（3）物理實驗的基本結(jié)構(gòu)實驗者——實驗活動的主體，處于主動地9（4）物理實驗的基本分類天然客體物理實驗——以天然客體或天然物理現(xiàn)象為實驗對象。整個自然界是物理學(xué)永恒的實驗室。（缺點是重復(fù)周期較長，條件難控制）人工制備樣品物理實驗——人為純化或人工制備的樣品代替原型作為實驗對象。樣品與原型要“同態(tài)”、“同構(gòu)”。這兩大類型的實驗研究各具有優(yōu)點和局限性，又具有互補性。（4）物理實驗的基本分類天然客體物理實驗——以天然客體或天10（5）物理實驗在物理學(xué)發(fā)展中的作用①發(fā)現(xiàn)新事物、探索新規(guī)律。如：伽利略斜面實驗、胡克彈性實驗、波意耳空氣壓縮實驗、庫侖定律、歐姆定律、法拉第電磁感應(yīng)定律、光的干涉、衍射、偏振；X射線、放射性；發(fā)現(xiàn)電子、原子核及其電荷；超導(dǎo)等等。（5）物理實驗在物理學(xué)發(fā)展中的作用①發(fā)現(xiàn)新事物、探索新規(guī)律。11②驗證理論。如：驗證愛因斯坦的相對論實驗、時空彎曲、引力紅移等；赫茲的實驗證實麥克斯韋電磁場理論；電子衍射證實德布羅意的物質(zhì)波理論。

（理論是物理學(xué)是核心，理論必須經(jīng)過實驗檢驗。理論與實驗之間是相輔相成的辨證關(guān)系。沒有實驗，理論是空洞的；沒有理論，實驗是盲目的。）②驗證理論。12③測定常數(shù)（物質(zhì)常數(shù)：ρ、n，基本常數(shù)：c、e、k、h）。常數(shù)之間的協(xié)調(diào)是檢驗物理理論的重要途徑。④推廣應(yīng)用。X射線、無線電、超導(dǎo)、核磁共振等③測定常數(shù)（物質(zhì)常數(shù)：ρ、n，基本常數(shù)：c、e、k、h）。13（6）當前物理實驗方法和發(fā)展的特點和趨勢實驗和理論的結(jié)合越來越緊密，成為不可分割、互相依賴的結(jié)合體，實驗需要理論尤其是實驗理論的指導(dǎo)，在理論的預(yù)測和條件范圍內(nèi)進行。實驗需要更先進的技術(shù)和儀器設(shè)備。更深入、更細微、更遠的距離、更高或更低的溫度、更短的時間、結(jié)果更精確。（6）當前物理實驗方法和發(fā)展的特點和趨勢實驗和理論的結(jié)合越來14物理實驗方法和其他學(xué)科的結(jié)合向其他學(xué)科滲透，使得新的實驗方法和技術(shù)更快地推廣應(yīng)用在各個領(lǐng)域。當代前沿的物理實驗越來越成為大規(guī)模的、集體的、綜合的工程。它的設(shè)計、建設(shè)和運轉(zhuǎn)使用，輔助和配套的工作等都需要各方面的科學(xué)家和工程技術(shù)人員共同合作完成，前沿尖端的實驗還需要國際間的合作。物理實驗方法和其他學(xué)科的結(jié)合向其他學(xué)科滲透，使得新的實驗方法151.4物理實驗教學(xué)在人才培養(yǎng)中的作用（1）實驗是培養(yǎng)創(chuàng)造性人才的必經(jīng)之路中國老一輩科學(xué)家的成功經(jīng)驗：葉企孫培養(yǎng)了王淦昌、王竹溪、趙丸章、錢偉長、鄧稼先、周光召等5O多名院士和楊振寧、李政道兩名諾貝爾獎獲得者。（2）創(chuàng)設(shè)物理情景，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和求知欲望。（科學(xué)研究與物理教學(xué)均必需）（3）實驗教學(xué)是發(fā)展學(xué)生探究能力的重要途徑（手腦并用、環(huán)境與資源運用）1.4物理實驗教學(xué)在人才培養(yǎng)中的作用（1）實驗是培養(yǎng)創(chuàng)造性16（4）物理實驗中的科學(xué)方法的教育（弘揚科學(xué)精神、掌握科學(xué)方法、樹立科學(xué)態(tài)度）科學(xué)精神--P17.（懷疑、求實、創(chuàng)新、實踐、人文）科學(xué)方法--P18~21.（思維方法、數(shù)學(xué)方法、測量方法、觀察方法）科學(xué)態(tài)度—P21.（嚴謹、實事求是、堅韌不拔）（4）物理實驗中的科學(xué)方法的教育（弘揚科學(xué)精神、掌握科學(xué)方法171.5物理實驗教學(xué)的基本形式（1）課堂演示實驗（教師為主體)（2）學(xué)生分組實驗（學(xué)生為主體)（3）邊教邊實驗（邊學(xué)邊實驗，教師與學(xué)生角色互換）（4）課外實驗與制作自制學(xué)具、自制教具、課外探究與實踐、社會生活的物理問題探究1.5物理實驗教學(xué)的基本形式（1）課堂演示實驗（教師為主體)181.6本課程設(shè)計與研究的內(nèi)容（1）實驗項目的設(shè)計某個物理量的測量方法、某個物理規(guī)律的驗證探究、改進某個實驗的設(shè)計、演示實驗的設(shè)計、自制學(xué)具教具（2）實驗教學(xué)方法和手段的設(shè)計針對各種物理實驗教學(xué)形式(演示實驗、學(xué)生分組實驗、邊教邊實驗、課外實驗與制作）、傳統(tǒng)與現(xiàn)代實驗方法的教學(xué)設(shè)計（3）關(guān)注實驗教學(xué)有效性（有效率、有效果、有效益）（4）實驗教學(xué)心理的研究情感態(tài)度與價值觀（主動與被動、積極與懈怠、堅持與放棄）（5）物理實驗教學(xué)的測量和評價研究1.6本課程設(shè)計與研究的內(nèi)容（1）實驗項目的設(shè)計19第一章（補充）實驗設(shè)計的基本原理和方法第一章（補充）20一、實驗的基本特點1、實驗?zāi)康模簽榱税l(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、探究新規(guī)律。2、實驗內(nèi)容：由需要探索的新問題而定，其內(nèi)容對于科學(xué)家來說是新的，一般是未知的。3、實驗形式：觀察現(xiàn)象、測量和記錄、計算和分析，總結(jié)出規(guī)律。最終能否得到需要的結(jié)論是未知的。4、對外公布，尋求承認，最終確定。一、實驗的基本特點1、實驗?zāi)康模簽榱税l(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、探究新規(guī)律。21二、實驗研究的基本方法對對象的一般觀察提出假設(shè)模型運用數(shù)學(xué)和邏輯進行推理實驗檢驗（忽略次要因素，創(chuàng)造理想化的物理條件，以求易于測量）形成理論（包括對假設(shè)進行的修正和推廣，且理論必須服從實驗的判決）（以上方法最早由伽利略創(chuàng)立）二、實驗研究的基本方法對對象的一般觀察22三、實驗設(shè)計基本方法

1、

建立實驗原理①

根據(jù)實驗?zāi)康暮蛢?nèi)容，確定待測物理量與其他物理量的關(guān)系，建立一定的思想基礎(chǔ)和理論基礎(chǔ)。如推導(dǎo)出公式。②

分析實驗原理的科學(xué)性，原理是否正確，是否確切，與現(xiàn)行的基本原理是否沖突？三、實驗設(shè)計基本方法

1、

建立實驗原理①

根據(jù)實驗?zāi)康?3③

實驗原理的可行性。儀器制作、器材選擇、實驗條件和操作能否符合所求未知量的條件。如果實驗原理不能滿足科學(xué)性和可行性的要求，或者引起邏輯混亂，則實驗設(shè)計是不可取的。③

實驗原理的可行性。儀器制作、器材選擇、實驗條件和操作能否242、

設(shè)計實驗方法和實驗方案實驗方法和實驗方案決定了實驗的“框架”和“工藝”，實驗方法和實驗方案的研究設(shè)計是最能體現(xiàn)實驗者的想象力等創(chuàng)造性思維能力的方面之一。要能夠抓住對象的本質(zhì)特性，建立恰當?shù)膶嶒災(zāi)Ｐ秃头椒?。如：直接測量、間接測量定性、半定量、定量數(shù)值法、圖示法、精確度2、

設(shè)計實驗方法和實驗方案實驗方法和實驗方案決定了實驗的25①

自己的實驗設(shè)計思想要清晰，找出實驗中要解決的重點和難點，確定解決方法②

根據(jù)知識結(jié)構(gòu)建立實驗?zāi)Ｐ停ㄖR面要廣）③

根據(jù)實驗要求建立實驗?zāi)Ｐ廷?/p>

設(shè)計其他實驗方案（從另一個角度入手）⑤用相同的實驗方法解決不同實驗中的相同問題⑥

實驗方法和實驗方案的比較和選擇注意點：①自己的實驗設(shè)計思想要清晰，找出實驗中要解決的重點和難點，263、

設(shè)計實驗裝置和選擇實驗器材（1）

分析裝置組合的原理和特點a、設(shè)計裝置：裝置的組合原理大多是由設(shè)計思想所決定的，組合適當?shù)难b置才能恰當?shù)剡x擇實驗器材。b、考慮裝置的性能：實驗條件是否可變，改變范圍是多少，樣品位置是否可靠，樣品能否更換，操作是否方便。3、

設(shè)計實驗裝置和選擇實驗器材（1）分析裝置組合的原理27

（2）了解儀器的結(jié)構(gòu)、原理和性能a、

了解儀器面板結(jié)構(gòu)、工作原理，在整套裝置中起什么作用，輸入輸出信號的特點。b、

注意儀器的調(diào)節(jié)方法、技巧和操作規(guī)程。c、

注意儀器的技術(shù)參數(shù)，誤差范圍，誤差來源。

（2）了解儀器的結(jié)構(gòu)、原理和性能a、

了解儀器面板結(jié)構(gòu)、工28（3）

實驗儀器的選擇原則a、盡可能簡單、明了、直觀、易操作。b、合理選擇精度，根據(jù)具體的目的要求來考慮，過“粗”、過“細”都會帶來麻煩。要通盤考慮，避免一臺“精”、一臺“粗”。c、

要滿足實驗的主客觀條件。（3）實驗儀器的選擇原則a、盡可能簡單、明了、直觀、易操作29

（4）

其他器材的選用a、

絕緣材料b、

保溫和干燥材料和設(shè)備，通風(fēng)設(shè)備c、

安全防護器具

（4）其他器材的選用a、

絕緣材料304、實驗條件和實驗操作（1）

實驗條件的選擇a、

根據(jù)實驗原理選擇b、

根據(jù)儀器的技術(shù)指標選擇c、

根據(jù)誤差理論