《中學(xué)物理實驗研究》講義

目錄TOC\o＂1－3”\h\z\uＨYPERLINK\l＂_Toｃ３５345５85１＂第1章物理實驗與物理學(xué)進展 PＡＧERＥＦ_Toｃ3５3４５585１\ｈ１HYPＥRLINK\ｌ”_Toｃ353４5585２”１.1物理實驗與觀察、生產(chǎn)勞動 第１章物理實驗與物理學(xué)進展1．1物理實驗與觀察、生產(chǎn)勞動全部自然科學(xué)都來自于實踐,都是在對自然現(xiàn)象觀察的基礎(chǔ)上，從科學(xué)試驗和生產(chǎn)實踐中總結(jié)進展起來的，物理學(xué)亦如此.但是，物理實驗與物理觀察和生產(chǎn)勞動并不完全相同。1.兩個概念物理實驗:是人們依據(jù)討論的目的，運用科學(xué)儀器設(shè)備，認為地掌握、制造或純化某種自然過程,使之按預(yù)期的進程進展.同時在盡可能削減干擾客觀狀態(tài)的前提下進行觀察，以探究物理過程變化規(guī)律的一種科學(xué)活動.觀察:是通過感官感受外部的各種刺激,形成對周圍事物的印象.科學(xué)觀察是有計劃、有目的地對自然狀態(tài)下的客觀事物進行系統(tǒng)考察和描述的一種科學(xué)活動。２．物理實驗與觀察的差異（1)共同點兩者都是科學(xué)實踐中搜集事實、取得閱歷的途徑。（2）差別A．實驗中，人處于主動地位，可充分發(fā)揮主觀能動性,掌握條件，轉(zhuǎn)變客觀狀態(tài)和進程,使自然現(xiàn)象的變化有利于得出規(guī)律性熟識。觀察中,人處于被動地位，只能等待自然現(xiàn)象按其原來進程進展，對現(xiàn)象進行記錄和討論。B.實驗結(jié)果可以重復(fù)，它不是簡潔的純感性的活動,而是包括深刻的理性思維.C。觀察一般是獵取原始材料的基本方法。（3)聯(lián)系觀察是實驗的前提，實驗是觀察的進展.觀察是搜集自然現(xiàn)象供應(yīng)的東西,實驗室從自然現(xiàn)象中提取它需要的東西.因此，觀察和實驗室兩種不同層次的熟識手段,起著不同的作用。３．物理實驗與生產(chǎn)勞動的區(qū)分物理實驗是以在科學(xué)理論指導(dǎo)下探究自然規(guī)律為主要目的；生產(chǎn)勞動以直接轉(zhuǎn)變自然，達到增加物質(zhì)財寶為目的,且不要求得到自然規(guī)律.1.2物理實驗在物理學(xué)進展中的地位物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，其概念的建立、定律的發(fā)現(xiàn)都有堅實的實驗基礎(chǔ),在物理學(xué)的進展中有著巨大的意義和推動作用。1．物理實驗與古代物理學(xué)的進展物理學(xué)的進展，經(jīng)歷了從萌芽時期到經(jīng)典物理學(xué)時期,再到現(xiàn)代物理學(xué)時期的三個大進展階段。在古代(公元前七、八世紀)，物理學(xué)只是“自然哲學(xué)”的重要組成部分。此時,主要依靠對自然現(xiàn)象和生產(chǎn)、生活很不充分地觀察，以及簡潔粗造的實驗，直覺地、籠統(tǒng)地去把我物理現(xiàn)象的一般特性。物理學(xué)基本上處于對現(xiàn)象的描述,閱歷的簡潔總結(jié)和思辨性的推測階段，扮演的巨大作用還未被充分熟識。在古代,很多人曾做過很多實驗，或進行過觀察,對實驗現(xiàn)象作過各種解釋或總結(jié),提出過種種理論,制造了不少儀器,對古代物理學(xué)的進展起到了樂觀的推動作用。例如：（1)古巴比倫人：用“日晷”和水鐘計時；(2）古希臘人：摩擦過的琥珀能吸引輕小的物體,恬然磁石具有磁性;（3）阿基米德：由杠桿實驗得到杠桿定律；由浮力實驗得到浮力定律;(４）《考工記》：水浮法定性估測物體比重；(5）《墨經(jīng)》：記載了物體所受浮力是由于水被物體排開的關(guān)系;（６）《墨子》記載了將兩種稍有不同的壇子埋入地下，以推斷地下聲源的方法（固體傳聲和氣腔共振）；（7）沈括(夢溪筆談）:用紙人演示共振實驗。綜上所述，這一時期的物理實驗的特點是：(1）零星不系統(tǒng);(2)定量實驗較少，定性實驗較多;（3）大多數(shù)實驗僅限于現(xiàn)象的描述或一般的解釋，沒有形成系統(tǒng)理論；（4)沒有用實驗來檢驗已有理論?？傊?，這一時期的物理實驗方法和科學(xué)思想水平較低,使物理學(xué)沒有能真正走上科學(xué)的道路。2．物理實驗與經(jīng)典物理學(xué)的進展經(jīng)典物理學(xué)實在16、17世紀的文藝復(fù)興時期和科學(xué)革命中誕生的，以伽利略為代表的一大批杰出科學(xué)家，把實驗方法與物理規(guī)律的討論結(jié)合起來,對物理學(xué)的進展作出了劃時代的貢獻。例如：（1）伽利略斜面實驗、落體實驗：發(fā)現(xiàn)了運動定律和自由落體規(guī)律；（2）庫侖扭秤實驗、摩擦實驗：發(fā)現(xiàn)了庫侖力的平方反比定律和摩擦定律；(3）卡文迪許用扭秤裝置測定了地球密度：得到了地球密度和引力常數(shù)；(4）焦耳熱功當量的討論:為能量守恒與轉(zhuǎn)換定律的確立奠定了堅固的實驗基礎(chǔ)；（５)分子速度分布律：1859年:麥克斯韋提出1８60年：氣體沾滯性隨壓強轉(zhuǎn)變實驗（間接證明白麥克斯韋速度分布律）１911年：杜諾伊爾制作成功分子束裝置１920年：斯特恩用分子束實驗技術(shù)對分子速度分布律做直接驗證1955年：米勒、庫什精確測定（6）布朗運動：是分子無規(guī)章熱運動的有力證據(jù),對熟識分子、分子的存在有重要意義；(7）奧斯特：電流磁效應(yīng)開創(chuàng)了電磁學(xué)的富強時期；（８)法拉第:電磁感應(yīng)現(xiàn)象;（９）楊氏雙縫干涉：為光的波動說供應(yīng)了確鑿證據(jù);（10）邁克爾遜－莫雷實驗:否定了“以太”的存在，導(dǎo)致了相對論的消滅。綜上所述，經(jīng)典物理實驗對于經(jīng)典物理學(xué)的進展起到了很大的推動作用,在經(jīng)典物理學(xué)中地位極其重要.更為重要的是，在這一時期，人們將數(shù)學(xué)引入到實驗中，對實驗結(jié)果理論化,形成了系統(tǒng)的經(jīng)典物理理論體系，并能用理論去指導(dǎo)實驗，大大豐富了物理實驗的內(nèi)涵,擴展了物理實驗的功能。從經(jīng)典物理學(xué)的進展來看,物理實驗起著至關(guān)重要的作用，并形成了物理實驗自己獨特的一套討論方法和科學(xué)思想，具有如下特點：(1）把實驗和數(shù)學(xué)結(jié)合起來既注意規(guī)律推理,又依靠實驗檢驗，構(gòu)成了一套完整的科學(xué)討論方法:觀察→提出假設(shè)→運用數(shù)學(xué)和規(guī)律推理→實驗檢驗→形成理論。（2)有意識地在實驗中拋開一些次要因素，制造抱負化的物理條件這是力求使實驗條件盡可能符合數(shù)學(xué)要求，以便于獲得超越實驗本身的特殊條件的熟識，又要設(shè)法轉(zhuǎn)變實驗測量條件,以使之易于測量。(3）用實驗驗證理論(4）把實驗和理論聯(lián)系起來，使實驗結(jié)果上升到普遍的理論高度。３．物理實驗與現(xiàn)代物理學(xué)的進展經(jīng)典物理學(xué)從１６世紀到19世紀末,歷經(jīng)３00年的進展,達到了比較完整和成熟的階段.但是,此時的科學(xué)實驗卻發(fā)現(xiàn)了很多經(jīng)典物理無法解釋的事實,其中電子的發(fā)現(xiàn)、X射線的發(fā)現(xiàn)和放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)具有根本的意義，它們的發(fā)現(xiàn)引起了物理學(xué)的革命,導(dǎo)致了現(xiàn)代物理的誕生.例如：（1)霍爾效應(yīng):確定半導(dǎo)體材料的基本參數(shù)，推動半導(dǎo)體理論的進展；(2）塞曼效應(yīng):涉及光的輻射機理，反常塞曼效應(yīng)的討論推動了量子理論的進展；(3)陰極射線荷質(zhì)比測定：發(fā)現(xiàn)了電子;（4）黑體輻射公式：導(dǎo)致量子力學(xué)的產(chǎn)生；（5）盧瑟福的α粒子散射實驗：提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型；（6）弗蘭克-赫茲實驗：證明白原子能級的存在,揭示了原子能及圖像,證明白玻爾理論的正確性；（7）斯特恩—蓋拉赫實驗：證明白空間量化理論,既角動量的空間取向量子化；(8)戴維森－革末實驗：證明白德布羅意物質(zhì)波假設(shè),形成了一門獨立的實驗技術(shù)。綜上所述,現(xiàn)代物理是從實驗發(fā)現(xiàn)開頭的，并在實驗中進展起來?，F(xiàn)代物理實驗?zāi)酥廉斍拔锢韺嶒灧椒ê瓦M展的特點和趨勢如下:（1）實驗與物理論結(jié)合越來越緊密，成為不行分割和相互依靠的結(jié)合體。物理實驗更加需要理論指導(dǎo)，在理論的猜測和條件范圍內(nèi)進行，而不是盲目的；（2）實驗需要更先進的技術(shù)和儀器設(shè)備。由于現(xiàn)代物理需要探究更細微的結(jié)構(gòu)，更遠的距離，更短的時間，更大或更小的壓強,更高或更低的溫度等；（3）物理實驗方法與其它學(xué)科的結(jié)合和向其它學(xué)科的滲透,使得新的實驗方法和技術(shù)更快地在應(yīng)用領(lǐng)域得到推廣使用；(4)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，需要各個方面的科學(xué)家和工程技術(shù)人員,甚至是國際之間的合作；(5）建立和利用空間實驗室，充分利用太空的高真空、無污染、失重等天然條件?？傊?，近代物理的進展更加離不開實驗。1.３物理實驗在物理學(xué)進展中的作用從整個物理學(xué)的進展來看，物理實驗在各個階段所起的作用不盡相同，但它是整個物理學(xué)理論的基礎(chǔ)，是物理學(xué)進展的基本動力。它在物理學(xué)總的作用主要表現(xiàn)在:1.發(fā)現(xiàn)新事物和探究新規(guī)律從物理學(xué)進展歷史來看，大量實驗事實的發(fā)現(xiàn)，供應(yīng)了新規(guī)律建立的基礎(chǔ)；它也可以揭示理論的不足，進而為開拓新的領(lǐng)域打下基礎(chǔ)。２．驗證理論理論是物理學(xué)的核心,其正確性必須有實驗驗證。因此，實驗是檢驗理論的重要手段之一.理論和實驗之間是相輔相成的關(guān)系，沒有實驗,理論是空洞的；沒有理論，實驗室盲目的。３.常數(shù)的測定物理學(xué)中有大量的常數(shù)，大致可分為兩大類：物質(zhì)常數(shù)（如比熱、電阻率、折射率等);基本常數(shù)（如真空中的光速、基本電荷、普朗克常數(shù)等)。前者會隨某一因素轉(zhuǎn)變，后者是普遍適用的。物理學(xué)中，大量的實驗是圍繞常數(shù)進行的,格外是基本常數(shù)的討論和確定,在物理學(xué)進展中占有極其重要的地位。4．推廣應(yīng)用將成熟的實驗技術(shù)推廣到其它學(xué)科中。第2章物理實驗與物理教學(xué)2.１科學(xué)實驗與教學(xué)實驗1?？茖W(xué)實驗的特點科學(xué)實驗的主要特點:（1）實驗條件可嚴格掌握A。忽視干擾、只考慮主要問題;B．從不同側(cè)面探究物理規(guī)律.（２）實驗課重復(fù)(3)需要借助各種儀器,以獲得人們不能直接感知的現(xiàn)象、規(guī)律(4）可在特殊條件下或特殊情環(huán)境中進行,格外是對特殊的物理現(xiàn)象。２。教學(xué)實驗教學(xué)實驗室有選擇地把一部分討論或探究物理現(xiàn)象和規(guī)律的實驗和事實，在集中的時間內(nèi)顯現(xiàn)給同學(xué)，教給同學(xué).在此活動中,同學(xué)的學(xué)習(xí)過程與物理學(xué)家的探究過程有相像之處。因此,教學(xué)實驗對同學(xué)的熟識活動所起的作用與科學(xué)實驗相像.３。教學(xué)實驗與科學(xué)實驗的差別科學(xué)實驗教學(xué)實驗?zāi)康陌l(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、探究新規(guī)律幫助同學(xué)掌握知識和學(xué)習(xí)方法,培育能力，提高素養(yǎng)。內(nèi)容由需探究的新問題而定按教學(xué)目的設(shè)計按教學(xué)需要支配新的、未知的成熟的，對同學(xué)是新的形式通過實驗和觀察現(xiàn)象，測量和記錄數(shù)據(jù)，計算和分析結(jié)果，得出物理規(guī)律，但能否得到最終結(jié)果未知結(jié)果是肯定的注兩者的共同特征:物理現(xiàn)象要明顯或物理規(guī)律要清楚2.２物理實驗在物理教學(xué)中的地位物理實驗室物理教學(xué)中的一個重要的組成部分，它既是物理教學(xué)的基礎(chǔ),又是物理教學(xué)的重要內(nèi)容、方法和手段.1。實驗是物理教學(xué)的重要基礎(chǔ)物理教學(xué)中運用實驗的目的在于給同學(xué)制造一個良好的環(huán)境，使同學(xué)能主動獵取物理知識和進展能力,促進同學(xué)科學(xué)品質(zhì)和世界觀的形成；使同學(xué)掌握實驗的基礎(chǔ)知識和基本方法，培育其實驗技能和能力。中學(xué)物理教學(xué)必須以實驗為基礎(chǔ)，這是由實驗本身的特點以及在物理教學(xué)中的作用所決定的。2．實驗是物理教學(xué)的重要內(nèi)容（１)物理實驗是物理學(xué)不行分割的重要內(nèi)容物理學(xué)任何一部分內(nèi)容的進展都可分解為三種因素：實驗（事實）、物理思想(規(guī)律、方法論）和數(shù)學(xué)(表述形式或計量公式)。由此可見，實驗內(nèi)容本身就是老師應(yīng)該教、同學(xué)應(yīng)該學(xué)的.（2）實驗教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分實驗是物理概念、規(guī)律教學(xué)中不行少的基礎(chǔ)。離開了實驗的物理教學(xué)只能是“空中樓閣”。有了實驗的物理教學(xué),可把枯燥難懂的知識變得生動，有利于激發(fā)同學(xué)的學(xué)習(xí)愛好,調(diào)動同學(xué)的學(xué)習(xí)樂觀性。（3)實驗是培育同學(xué)實驗?zāi)芰Φ谋ＷC中學(xué)物理實驗有演示、示范和分組實驗。由此可使同學(xué)從中學(xué)到實驗的基本知識、基本技術(shù)和基本方法，可進展能力、培育良好的素養(yǎng)。３．實驗是物理學(xué)討論的重要方法(1)實驗是物理學(xué)討論的重要方法實驗（討論）方法,是人們依據(jù)討論目的,利用肯定的儀器設(shè)備人為地制造、掌握或模擬自然現(xiàn)象,使某些現(xiàn)象反復(fù)再現(xiàn)，以便于人們反復(fù)觀察討論的一種方法.實驗方法的優(yōu)點在于能將簡潔條件簡化，借助儀器設(shè)備突出討論對象的主要因素，排解次要的非本質(zhì)因素，使需熟識的某種性質(zhì)或關(guān)系以比較純粹的形式表現(xiàn)出來,以使人們能較容易、較精確地發(fā)現(xiàn)規(guī)律。（２)實驗是老師教物理、同學(xué)學(xué)物理的重要方法通過觀察和實驗，使同學(xué)知道探究發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的過程,培育和提高同學(xué)的觀察能力和規(guī)律思維能力，培育同學(xué)的實驗動手能力和制造能力，幫助同學(xué)掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方法。４．實驗是物理教學(xué)的重要手段實驗：直觀簡略，形象生動；實驗教學(xué):從感性到理性，從簡略到抽象,從簡潔到簡潔,符合同學(xué)的心理特點和認知規(guī)律。2.３物理實驗在物理教學(xué)中的作用１。培育同學(xué)的愛好和激發(fā)同學(xué)的求知欲實驗課培育同學(xué)學(xué)習(xí)物理的愛好,主要緣由是:(1)實驗具有真實、直觀、形象和生動的特點，易于激發(fā)同學(xué)的愛好中同學(xué)天生奇怪???、好動,在觀察生動有趣的實驗時他們注意力會高度集中，而且布滿激情。(２)實驗是一種有目的性的可操作行為設(shè)法讓同學(xué)多動手做實驗（邊學(xué)邊做、分組實驗、課外實驗),可滿意同學(xué)操作的愿望，可讓同學(xué)不斷體會到“發(fā)現(xiàn)”和“克服困難解決問題獲得成功”后的愉悅，從而提高愛好，增強信心，增強學(xué)習(xí)的欲望，進而轉(zhuǎn)化為一種喜愛科學(xué)的素養(yǎng)和志向?！跋矏凼亲詈玫睦蠋?，只要有了學(xué)習(xí)愛好，才談得上學(xué)習(xí)的樂觀性，主動性和制造性，因此，老師要設(shè)法讓同學(xué)多做實驗。2．創(chuàng)設(shè)同學(xué)有效掌握知識的學(xué)習(xí)環(huán)境大多數(shù)物理概念和規(guī)律是從大量簡略實例中抽象出來的,因而，在教學(xué)中必須重視感性熟識，它是形成概念、掌握規(guī)律的基礎(chǔ)。感性熟識可來源于生活,也可來源于實驗供應(yīng)的物理事實。但來源于生活的感性材料通常是簡潔的運動形態(tài),本質(zhì)的、非本質(zhì)的交融在一起，由此讓同學(xué)建立概念、熟識規(guī)律難度較大。而實驗可供應(yīng)進行選擇的、經(jīng)過簡化和純化的感性材料，使同學(xué)對物理事實獲得明確、簡略的熟識。和生活實例相比較,物理實驗具有如下特點:(1）實驗具有典型性;（2）實驗具有重復(fù)性；（3）實驗具有趣味性;（4)實驗具有定性和定量討論的全面性。3．訓(xùn)練同學(xué)的科學(xué)方法實驗?zāi)軌蛑圃斐鲎畲_實、最少受干擾，并保證過程以其純粹形態(tài)進行的物理環(huán)境;它制造了理論聯(lián)系實際的學(xué)習(xí)過程。這個過程能活化同學(xué)學(xué)到的知識，能引導(dǎo)同學(xué)像科學(xué)家那樣去觀察周圍的事物，用實驗手段去驗證事物的屬性,發(fā)現(xiàn)事物的變化、聯(lián)系和規(guī)律，讓同學(xué)從中學(xué)習(xí)科學(xué)的討論方法,掌握科學(xué)的討論方法，掌握科學(xué)的學(xué)習(xí)方法。綜上所述,實驗室對同學(xué)進行制造意識訓(xùn)練和科學(xué)方法訓(xùn)練的有效途徑。實驗的基本方法有4大類:（1）實驗歸納法是由個別到一般的方法,即依據(jù)討論目的認為地掌握條件，從大量的實驗現(xiàn)象中尋找普遍特征,進而概括出規(guī)律的方法。其特點是:實驗在前,結(jié)論在后。也稱之為探干脆試驗，是中學(xué)物理教學(xué)中最常見的一種。(2）實驗驗證法是一種推理、推斷在前，實驗驗證在后的討論方法,即在已知的物理理論和實踐的基礎(chǔ)上,或是在消滅了與已知物理理論根本沖突的物理事實時，經(jīng)過推理、作出假設(shè)和預(yù)言，并通過實驗來檢驗其真理性,最后肯定或否定論斷,從而得出牢靠的結(jié)論.實驗驗證法與想象、推理、推斷等思維形式結(jié)合在一起,就構(gòu)成“演繹”的科學(xué)方法，是人的熟識能力的制造性表現(xiàn)。這種能力促使科學(xué)家超前于實驗而推動科學(xué)的進展。實驗技能鼓勵科學(xué)家大膽設(shè)想、勇于創(chuàng)新的精神，又能無情地否定謬誤,防止科學(xué)家走上歧途，因此，驗證性實驗也是科學(xué)進展的動力之一。探干脆、驗證性實驗若在教學(xué)中使用得當，都具有啟迪思維、探究真理的作用.（3）真實實驗與抱負實驗相結(jié)合的方法真實實驗是人們能夠?qū)嶋H進行的實驗活動。抱負實驗是人們在頭腦中塑造的一種抱負過程,是規(guī)律推理的一種方法和形式。兩種方式有相像的特征和目的，都是將討論的對象加以“純化”，以在最少受干擾和影響的條件下，概括出所討論對象的特性和本質(zhì)。而真實實驗和抱負實驗相結(jié)合的方法,是在有限的實踐基礎(chǔ)上，經(jīng)過推論、推斷而得出抱負條件下的物理規(guī)律的方法。兩種方法有差別，也有聯(lián)系。真實實驗是簡略的實踐活動，可作為檢驗物理真理的標準，而抱負實驗不能作為檢驗物理真理的標準,而且其本身的結(jié)論的正確性還需要由真實實驗來推斷.一般來講，抱負實驗依靠于真實實驗。真實實驗的純化是相對的,由于無論什么條件下都不行能制造出肯定純的環(huán)境，總要受到外界干擾,因此,真實實驗總具有誤差。抱負化實驗的純化是肯定的,不會產(chǎn)生誤差。這在真實實驗受到制約時,可以超越科學(xué)技術(shù)的進展水平而充分發(fā)揮人的思維能力，比真實實驗更抽象、更概括、更深刻。因此，抱負實驗高于真實實驗，能更直覺、更深刻地反映物理現(xiàn)象的本質(zhì)，揭示出事物之間的內(nèi)在聯(lián)系，是人們熟識能力高度進展的體現(xiàn)，在推動物理學(xué)進展中起著重要作用。（４）追溯機遇的方法注意實驗中的偶然因素引起的、未意料到的、有重要科學(xué)價值的新現(xiàn)象.４．培育同學(xué)的各種能力(1)培育同學(xué)實驗?zāi)芰?(2）培育同學(xué)想象能力（3）培育同學(xué)思維能力（4)培育同學(xué)觀察能力(5）培育同學(xué)分析能力（6）培育同學(xué)創(chuàng)新能力5．培育同學(xué)良好的科學(xué)素養(yǎng)（1）培育同學(xué)實事求是的科學(xué)態(tài)度，嚴謹細致的工作作風(fēng)和堅韌不拔的意志品質(zhì)；（2）有助于同學(xué)形成正確的觀點、概念，優(yōu)秀的道德品質(zhì)；（3）培育高尚的思想情操和深厚的學(xué)習(xí)愛好。第3章物理實驗原理與設(shè)計物理實驗不僅僅是物理教學(xué)的重要基礎(chǔ)、重要方法和重要手段,也是物理教學(xué)中的重要內(nèi)容。物理實驗教學(xué)討論包括“硬件"(實驗)和“軟件”(教學(xué))討論，其討論方法可以分為相互聯(lián)系的三個部分:實驗討論法、實驗設(shè)計法和實驗教學(xué)法。3。1中學(xué)物理演示實驗原理分析方法為確保實驗的成功,對實驗的討論應(yīng)從分析實驗原理入手，其基本方法是：1．明確實驗的目的、內(nèi)容和要求。2．認真討論實驗原理，對定量或半定量實驗需要分析實驗的誤差來源及影響程度.3.確定實驗的關(guān)鍵。4.對實驗裝置、器材和實驗條件提出要求,并進行選擇，確定操作要電話我注意事項。例1：低壓沸騰實驗在瓶里裝入低于1０0℃的水，用針筒抽氣降壓,可看到水的沸騰。分析如下：(1）實驗?zāi)康模赫f明壓強減小，沸點降低.（2)實驗要求：明顯地顯示出減小瓶內(nèi)壓強后,瓶內(nèi)原來不沸騰的水發(fā)生沸騰現(xiàn)象.（３）實驗原理:抽氣→減壓→沸點降低→沸點低于水溫→沸騰（4）實驗關(guān)鍵：水溫要高于被降低的那個沸點，這有兩個因素共同決定:水溫、降壓的程度。（5）對實驗器材的要求：A。水溫不要太低（〉８5）Ｂ.瓶內(nèi)水不要裝得太少C。橡皮管不能太長、太軟，瓶塞等處不能漏氣。只要能滿意這三個要求,即可保證實驗的成功。例２:直導(dǎo)線切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電流分析如下：（1）實驗?zāi)康模赫f明直導(dǎo)線切割磁力線運動時，可在閉合回路中產(chǎn)生電流。（２）實驗要求：當直導(dǎo)線切割磁力線時,電流計指針有明顯的偏轉(zhuǎn),以清楚地表明感應(yīng)電流的產(chǎn)生.（３）實驗原理：切割磁力線→產(chǎn)生感應(yīng)電動勢（ε＝Bvlsinθ）→產(chǎn)生感應(yīng)電流（I=ε/（Ｒ＋r）→電流計指針偏轉(zhuǎn)（4）實驗關(guān)鍵：A。感應(yīng)電流要大；B。電流計要靈敏,可見度大。由此可知,要使實驗達到滿意的效果，關(guān)鍵在如下幾個因素:(5)對實驗器材的要求綜上所述,該實驗成功與否的關(guān)鍵是對實驗器材的選?。篈。B大：永強磁性磁鐵Ｂ．增大I:用線圈的一條直邊C．減?。遥簩?dǎo)線電阻和接觸電阻要?。模疁p小rA:選擇內(nèi)阻較小的電流表E.顯示儀器要靈敏實際上，只要做到了Ａ、B、C三點,可保證此實驗成功。(6）對實驗操作的要求Ａ．較快移動直導(dǎo)線切割磁力線;B.使直導(dǎo)線、運動方向和磁力線三者相互垂直.在對實驗的討論中，格外是在實驗原理的討論中，還應(yīng)注意兩個很重要的問題：（1）所謂實驗原理，并不是僅僅指實驗?zāi)康闹兴f明的物理道理。廣義地講，實驗原理是實驗方法、實驗器材和裝置、實驗過程、實驗結(jié)果分析等所依據(jù)的物理道理。在原理分析中所涉及到的很多情況、因素和信息，往往沒有給出,而需要靠自己去尋找、收集、探究和試驗。而且原理分析時需“抱負化”,需要略去一些次要因素，或作肯定的簡化和抽象,但其程度的把握至關(guān)重要。(2)無論對定量還是定性試驗,分析原理時,應(yīng)有“量”的意識，能做定量或半定量分析的不要輕易放棄。由于“量"變常常會影響實驗現(xiàn)象和效果（結(jié)果)的質(zhì)的變化。但這并不是說定性分析不重要,但不能只停留在定性分析上。例3:平行板電容器的電容與兩個極板間距的關(guān)系的實驗.圖1(1)實驗?zāi)康?說明平行板電容器的電容C隨兩極板間距d的增大而減小的規(guī)律,如圖1所示。圖1（2)實驗要求:當兩極板間距ｄ變化時，靜電計指針的偏角θ有明顯的變化，即△θ盡可能大。為了便利起見，假定：①用廠制儀器進行實驗,不另選儀器;②實驗過程中不存在漏電現(xiàn)象、兩極板相對面積不變；③僅考慮兩靠近的極板逐漸拉開的實驗過程。(3）實驗原理：討論1：依據(jù)公式Ｕ=Q/C，在極板帶電量Q肯定的情況下,C↓→Ｕ↑→θ↑,由于，在ε0，S肯定的情況下，ｄ↑→C↓。所以,當d由d０→ｄ′,變化=△d時，有：C由C0→C′，變化△Ｃ；U由U0→U′,變化△U；θ由θ0→θ′，變化△θ。實驗要求△θ盡可能大。顯然,要使△θ大,就需要△Ｕ大，就需要△Ｃ大。要使△C大，就需要使△d大.（4）實驗關(guān)鍵：要使△d盡可能大。(5）操作要點:將兩極板拉得越開越好。實驗結(jié)果：效果不能令人滿意。顯然，上面的實驗討論不精準或不全面.圖2討論2:從上面的分析可見，要使△θ大，就需要△C大。但△C的大小并非僅僅決定于△d的大小。對此,可做下面的分析。圖2①由Ｃ與ｄ的反比關(guān)系圖（如圖2所示)可以很直觀地看出：初始位置d不同,初始電容C也不同；對于不同的初始位置d,即使△d相同，△Ｃ卻是不同的.②由公式可得：可見,△Ｃ不僅取決于△ｄ的大小，還取決于初始間距d0的大小。（4)實驗關(guān)鍵:d0要小，△d要大.（5）操作要點:兩極板靠近些再拉開些。實驗結(jié)果：效果不能保證令人滿意(△θ不穩(wěn)定，且通常不很大）.圖3討論３:接上面分析，考慮實際情況，靜電計和連線都有肯定的電容（如圖3所示）。所以，在平行板拉開的過程中,平行極板上的電荷并非不變（但是這三個并聯(lián)電容器上的電荷是不變的）。靜電計的電容Ｃ計和連線的電容C連是否可以略去不計呢？筆者就圖1裝置用SQ1８A型萬用電橋進行了測量，結(jié)果如下：圖3C計=5pＦC連=1pF平行板的直徑為20ｃm。對于不同的間距d,按平行板公式算出的電容理論近似值C板·理、實際測出的近似值C板·實以及整個裝置的電容實測近似值Ｃ實（C板·實+C計+C連）如下表所示。d（cm）C板·理（pF）C板·實（pF）C實（pF）0.556２6.232.21.０２８16．422。62。01410.516．55。０５.65。911．910。02。83．79．715.01.９2.9８．920．01.42．68．6

從上面的數(shù)據(jù)可見：①靜電計和連線的電容不能忽視。②d達10cm后，系統(tǒng)的總電容基本不變；既然C末基本不變，那么要使△C大,就需要使C初大，即ｄ0要小。(4）實驗關(guān)鍵:d0要小。（5)操作要點：d0要小，可掌握在0。５~1ｃm內(nèi);△d≥10cm即可（這樣可使系統(tǒng)的電容減小到初始電容的１/３左右，電位差增大3倍左右）.實驗結(jié)果:效果仍不能確保令人滿意。圖4討論４：在這一實驗中，電容的變化由電位差的變化來反映，而電位差的變化則由靜電計指針偏角的變化來反映.在上面的分析中,對測量(顯示）儀器-—靜電計的特性格外是靜電計指針偏角對電位差的響應(yīng)情況并沒有予以考慮。我們知道，靜電計指針偏角θ與電位差Ｕ不成線性關(guān)系。筆者用靜電高壓發(fā)生器和靜電電壓表對“文革”前的老靜電計和“文革"后的新靜電計進行了測試,分別得到了它們的θ－U關(guān)系,如圖4所示。圖4如前所述，若d0約0。５～1cm，那么極板拉開后Ｕ可增大3倍左右。從θ－U圖線可見,要使Δθ盡可能大，可使θ０在15°左右，這樣可使Δθ在30°以上，確保變化明顯。實驗關(guān)鍵:①使ｄ０約為０．５~１cm.②使θ0在15°左右。對此,用可感應(yīng)帶電的方法給極板帶電,掌握θ0;也可用接觸帶電的方法，若所帶上的電荷較多，可以用手指多次快速接觸連線絕緣包皮使其適當漏電的方法來掌握θ0的大小.按上述要點操作，實驗效果很好，可確保Δθ在3０°以上。從這一實驗的原理分析,我們可以得到兩點啟示.a．所謂實驗原理，并不是僅僅指實驗?zāi)康闹兴f明的物理道理。廣義地講，實驗原理是實驗的方法、實驗的裝置和器材、實驗過程、實驗結(jié)果分析等所依據(jù)的物理道理.原理分析中所涉及的很多情況、因素和信息,往往并沒有給出，而要靠自己去尋找、收集、探究、試驗。原理分析時需要肯定的““抱負化”、需要略去一些次要的因素或做肯定的簡化和抽象,但其程度的把握是至關(guān)重要的。ｂ。無論對定量實驗，還是定性實驗，在分析原理時,應(yīng)有“量”的意識,能做定量或半定量分析的不要輕意放棄。定性分析固然簡明、快捷,但是在很多情況下,僅僅停留在定性分析的基礎(chǔ)上是不夠的，由于“量”變常常會影響實驗現(xiàn)象和效果（結(jié)果)的質(zhì)的變化.上面兩點，在分析討論實驗原理時應(yīng)該予以重視。3．2中學(xué)物理演示實驗科學(xué)性與可行性分析實驗原理，必須同時考慮其科學(xué)性與可行性。無論是選擇實驗方案,還是設(shè)計、確定實驗方案，這都是首先要考慮的。實驗原理的科學(xué)性：物理原理是否正確,物理原理是否精準。實驗原理的可行性:從儀器制作、器材選擇、實驗條件和操作等方面考慮試驗是否能成功;能否用于實際教學(xué)過程，達到某一教學(xué)目的；對整個教學(xué)過程而言,是否會因其規(guī)律混亂.1．原理的正確性要做到原理的正確，應(yīng)注意兩點：(1）不能虛偽弄虛作假、制造假象哄騙同學(xué)是不允許的。（2）原理無錯誤首先要區(qū)分錯誤與誤差。誤差是由于實驗系統(tǒng)和條件的非抱負化產(chǎn)生的。中學(xué)物理實驗中允許有肯定的誤差,這取決于實驗方法、儀器、實驗條件和教學(xué)要求。但是,實驗原理的錯誤是決不允許的。例:靜電感應(yīng)的實驗原理分析。用靜電感應(yīng)的方法，能使兩個帶有絕緣支柱的枕形導(dǎo)體帶上等量異種的電荷。圖1如圖1所示，將兩個不帶電的枕形絕緣導(dǎo)體Ａ，B靠在一起，再將一帶電體E靠近枕形導(dǎo)體A的一端。這時,在枕形導(dǎo)體Ａ的左端和Ｂ的右端分別感應(yīng)出了正、負電荷.保持帶電體E不動，移開枕形導(dǎo)體B，這樣,枕形導(dǎo)體A，Ｂ圖1圖2a圖2b圖2c圖2d為了說明“等量異種"這一點，有人設(shè)計了這樣一個實驗方案，如圖2所示。先將已帶了電的枕形導(dǎo)體中的任一個,例如帶正電的A與驗電器接觸。驗電器傳得電荷后張開一個角度,如圖２(ａ）所示；移開這個枕形導(dǎo)體，驗電器保持張角不變,如圖2(ｂ)所示；再將另一個帶負電的枕形導(dǎo)體與驗電器接觸,這時，枕形導(dǎo)體的負電荷就跑到驗電器上，與驗電器上原有的正電荷中和，整個驗電器就不帶電，驗電器箔片也就不張開，如圖２（c圖2a圖2b圖2c圖2d盡管有與上述方案預(yù)言的結(jié)果相同的實驗現(xiàn)象消滅，但是,這個實驗的原理是否肯定正確呢?對此，可進行如下分析。設(shè)：兩枕形導(dǎo)體的電容都為C1，驗電器的電容為C2。用靜電感應(yīng)的方法，使兩枕形導(dǎo)體都帶上Q的電量(先不考慮種類),對地電位差都為Ｕ＝Ｑ/C1.在圖2（a）所示的情況下，枕形導(dǎo)體Ａ上的電荷有一部分傳到驗電器上（不是全部?。＜俣ㄕ硇螌?dǎo)體與驗電器接觸后兩者的電容都沒有轉(zhuǎn)變，那么，驗電器上分得的電荷為：驗電器和枕形導(dǎo)體A的對地電位差Ua為:當把另一枕形導(dǎo)體B與驗電器接觸時，將有-Ｑ2的電荷先與驗電器上的電荷中和，然后,剩下的負電荷(Ｑ1－Ｑ2a)再按枕形導(dǎo)體和驗電器電容的大小而安排給兩者.此時，驗電器分得的電量Ｑ２b應(yīng)為: ?（１）其對地電位差UB為： ?? ?(2）從(1）、(2）式可見,枕形導(dǎo)體B與驗電器接觸后，雖然中和了驗電器上的正電荷，但卻使驗電器帶上了負電荷。盡管此時驗電器對地電位差沒有第一次(Ua）大,但畢竟還有。至于這個電位差使驗電器張開多大的角度，則由U的大小決定，亦即由枕形導(dǎo)體原先帶的電量Q和兩者電容的大小所決定。就實際情況來看，實驗中常用的枕形導(dǎo)體的電容與驗電器的電容是同數(shù)量級的。測量結(jié)果表明，前者的電容為３～７pＦ，后者的電容為１~6pF。如果開頭時枕形導(dǎo)體帶的電量Q不多（或Ｕ不大），驗電器的電容不比枕形導(dǎo)體的電容小多少，那么Ub就可能比較小,驗電器的張角可能小到不易覺察的程度［如圖2(c)］。但是,這種情況僅是可能消滅的多種情況中的一種。如果開頭時枕形導(dǎo)體帶的電量比較多,驗電器箔片仍可張開一個明顯的角度（從演示實驗中可以看到這種情況）。因此，上述實驗方案從原理上來說是不行取的。2．原理的精準性(1）原理與教學(xué)中需要說明的問題應(yīng)全都在由實驗現(xiàn)象的本質(zhì)（原理）的分析來說明某一教學(xué)問題時，若兩者對不上號，及原理不精準是不允許的。例1:“空氣多么中啊”小實驗。將一塊窄長的薄木條放在桌面上,并向桌外伸出一小部分，在桌面的木條上蓋一張沒有洞的報紙，把報紙擺平。然后，用拳頭或錘子飛快錘擊木條的伸出端的部分，這時你會發(fā)現(xiàn),你并沒有把報紙?zhí)舻娇罩校菍⒛緱l的伸出部分折斷了。這是一個很生動的實驗，通常被用來說明大氣壓的存在。事實上木條的折斷并非由于大氣壓壓住了報紙的原因。即使不蓋報紙,只要打擊飛快,木條也會折斷。如果打擊時很慢，在第一種情況下報紙還是要被挑起，木條也不會折斷。當然,掩蓋了報紙，木條更易折斷。報紙的作用,僅是增加了木條在桌面上的那一部分向上運動時所遇到的阻力。至于木條為什么會被折斷,請大家在看了(或做了）上述的三個對比實驗(二次快打，一次慢打）之后，自己分析解釋。一個關(guān)于大氣壓力的實驗及解釋.例2:關(guān)關(guān)于大氣壓力的實驗及解釋。有一道習(xí)題:取兩個粗細相差很小的試管，在大試管里裝滿水,把小試管底朝下放在大試管里。把這種裝好的兩個試管倒過來，就會看到大試管里的水漫漫流出，同時小試管自動上升到大試管里,解釋這個現(xiàn)象。不少教學(xué)參考資料中解釋說：小試管在大氣壓的作用下漸漸升至大試管的頂端。做這樣的解釋也許出于這樣的考慮：小試管頂端在水中,水對頂端的壓力(壓強）由小試管頂端到大試管頂端這一段距離的水柱所決定,它遠小于大氣壓力。因此,小試管的上升主要由小試管在水外的各玻璃壁受到的大氣壓力所決。小試管的上升是否是由于大氣壓作用的結(jié)果呢？假定在兩試管倒過來的一瞬間成如圖所示的情況（這時刻，水和小試管還基本處于靜止狀態(tài)）。我們?nèi)⌒≡嚬転橛懻搶ο?小試管主要受到三個力：重力Ｇ、向上的大氣壓力F1=p０S(P0為大氣壓強、S為小試管外徑截面積）、水對小試管頂部外壁的向下的平均壓力F2＝pbS(pb為小試管頂部外壁所受平均壓強,可以認為是b點的壓強）。小試管所受向上的合力為：F＝F1－F2－G式中，Ｇ和F1是恒定的，而Ｆ2（ｐb）是隨實驗條件而變化的。若開頭時細試管插入粗試管水中的深度是h。那么,只要水是靜止或流速很小，可以認為這時大氣壓強在水中傳遞的過程中壓強的大小不變,而且各向同性.因此，小試管頂部b處的平均壓強為：pb＝ｐａ-ρgh=ｐ0－ρｇh因而，F(xiàn)２=（ｐ-ρgｈ）Ｓ由此得到向上的合力的大小為:F=F1-F2—G＝ρghS－Ｇ由上式可知，在兩試管倒過來的這一瞬間,如果ρｇhS〉G,則F〉0，小試管就要向上運動；如果ρghＳ<Ｇ，則F＜0，小試管就要向下運動.而hS就是開頭時小試管排開大試管中水的體積。所以,這一實驗要能做成功，必須滿意的一個條件是:開頭時小試管排開水的重力ρghS要大于小試管本身的重力G.為了使這個條件得到滿意,在操作時應(yīng)先將大試管差不多灌滿水，再將小試管放在大試管中，使其正好浮在水中,這時ρｇｈＳ=G，然后將小試管盡可能往水中按下一些，使得ρｇｈS〉G,最后飛快將兩試管倒過來。若實驗的初始條件選擇得不當，如h太小或Ｇ太大，此實驗都難以成功。當細試管向上運動后，粗試管中的水就被排擠而流出。這時,影響小試管向上運動的因素（力)共有四個，總的效果仍使F保持向上，即保持小試管漸漸上升。由上分析可見,小試管的上升,并非僅由于大氣壓力作用的結(jié)果(事實上,開頭時大氣壓對小試管的壓力之和是為零的)。把小試管上升的緣由僅歸結(jié)為大氣壓力對小試管的作用是不精準的。題目所說“兩管粗細相差很小”也是一個重要條件。若粗細相差較大，即使剛開頭的瞬間滿意ρghS〉G的條件，但由于水飛快沿兩管壁流下,因而h飛快減小，從而使得F<0,小試管落下.（2)因教學(xué)需要要求消滅的實驗現(xiàn)象,就原理來講必須是唯一的，而不應(yīng)該是可能會消滅的。3．原理的可行性對于實驗原理的可行性應(yīng)注意:(1）實驗裝置、器材和實驗條件等方面的限制由于這些限制,使成為抱負化的實驗方案無法實施,因此，設(shè)計和選擇方案時必須注意從原理上分析方案是否可行。（2）主要實驗原理不易理解這是由于實驗原理中包含了部分同學(xué)未知的知識，使同學(xué)不能完全理解。在實際應(yīng)用應(yīng)加以避開.例1：“竹筷提米”實驗。在一個玻璃杯中倒?jié)M大米,并將其按緊，然后插入一根豎直的毛竹筷（或細木棒）,這時,拿住筷子就可以把裝滿大米的玻璃杯提起來。一些學(xué)校物理教材支配這個實驗在“滑動摩擦”之后，由同學(xué)自己做。這個實驗的原理涉及靜摩擦力的作用，而靜摩擦力內(nèi)容要到高中才開頭講授，學(xué)校二班級同學(xué)做了這個實驗之后也未必能想出其中的道理.因此，在學(xué)校二班級支配這個實驗與教學(xué)大綱要求不相符合,是不適宜的。例2:牛頓第三定律和牛頓其次定律實驗。用兩個質(zhì)量相等的物體相互牽引或推斥的位移相等來說明牛頓第三定律，并用兩個質(zhì)量不等的物體相互牽引或推斥的拉移與質(zhì)量成反比來說明牛頓其次定律。前一個實驗實質(zhì)上是以牛頓其次定律為基礎(chǔ)來導(dǎo)出牛頓第三定律,后一個實驗又以牛頓第三定律為基礎(chǔ)來導(dǎo)出牛頓其次定律，這樣就消滅了規(guī)律循環(huán)。這種情況是需要避開的。4．應(yīng)注意的幾個問題分析討論實驗原理的科學(xué)性和可行時，應(yīng)注意：(1)不能輕信“原理和結(jié)果的吻合”原理和結(jié)果的吻合，或者實驗消滅的現(xiàn)象與實驗原理所預(yù)期的現(xiàn)象吻合，不肯定說明原理沒有問題，而這一點往往被忽視。例１:驗證a∝F的實驗。將兩個質(zhì)量相等的小球分別放在兩條長度L相同、高度為１與2之比的斜槽（或斜面)上（θ都不大）。讓它們同時滾下，其中一個在斜面中點,另一個在斜面頂端,如圖１所示.有些書籍介紹這個實驗的原理是這樣的。由于這兩個小球的重力G沿斜面的分力為:圖1圖1兩分力之比為：因此，兩球的運動加速度之比：又由于兩球離斜槽底端的路程之比：因此，兩球運動到斜槽底端所需的時間為：(相等）由于兩球是同時滾下的，因此它們將同時到達斜槽底端。如果斜槽底端是兩塊擋板，那么我們將聽到兩球撞擊擋板的聲音是一聲；如果斜槽底端是兩把分別與電池和小燈相連接的碰撞開關(guān)，那么我們將能看到兩個小燈同時亮。實驗表明，實驗結(jié)果與實驗原理分析時所預(yù)期的結(jié)果全都.由于原理與結(jié)果吻合，這個實驗流傳了幾十年,被很多人所接受.如果能冷靜地再分析一下實驗的話，就不難發(fā)現(xiàn)這個實驗原理是有問題的,其問題主要在于球與斜槽之間的摩擦力f能否忽視不計.如果f可以不計，那么兩個球的加速度應(yīng)分別為gsinθ１和gsinθ２.但實驗測出小球運動的時間t后，按a＝2s／ｔ2算出的加速度卻比gsinθ要小得多?？梢?ｆ是不行以忽視的.而原實驗原理對球在斜槽中的摩擦情況并沒有考慮,似乎任何摩擦情況對實驗結(jié)果都沒有影響，這顯然不妥。對于一般情況,不忽視摩擦力f的影響。為分析簡便起見,這時僅考慮兩種簡潔的情況(也是極端情況):只滑不滾和只滾不滑。只滑不滾的情況在實驗中不會消滅,即使消滅，滑動摩擦顯然不能忽視。圖2按原實驗敘述只滾不滑的情況是完全可能消滅的，在這種情況下，摩擦作用包括靜摩擦力和滾動摩擦力偶兩部分。當然，如果球與斜槽接觸處的形變很小，滾動摩擦力偶的作用是可以忽視的。但靜摩擦力f卻不能忽視。靜摩擦力f一方面對球心的運動起減速作用；另一方面對球的轉(zhuǎn)動起加速作用,沒有這個摩擦力小球不行能滾動.考慮靜摩擦力f圖2如圖2所示，設(shè)球半徑為r,由于只滾不滑，因而有下述關(guān)系式：F—f=ｍaｃ

?? ? ?? ?（１）rf=Iβ ? ?? ??? ?（２)ａc=rβ??? ??? ? ??(３)由于，所以有: ????? ? （4)? ? ? ?? （5)? ? ? ??(6)從（4）、（6）兩式可見，在實驗中,正由于兩球的m，r和I都相等,所以得：這就是這個片面的實驗原理推出的正確的實驗結(jié)果的緣由。從思維方式的角度來看,上面的實驗之所以會消滅物理原理的科學(xué)性錯誤，是由于用了這樣的思維模式：顯然，這種思維模式是不完備的.可見，在分析實驗原理乃至實驗討論的整個過程中,我們必須重視規(guī)律思維。(2）不能想當然分析和討論實驗、設(shè)計實驗不能只看原理和結(jié)果吻合,不能只看現(xiàn)象而想其當然的原理，不能只看原理而想其當然的實驗結(jié)果.例2：伽利略的慣性原理思想實驗。讓小球沿一個斜面從靜止?jié)L下來，小球?qū)L上另一個斜面。如果沒有摩擦,小球?qū)⑸仙皆瓉淼母叨?。伽利略推論說,如果減小其次個斜面的傾角，小球在這個斜面上達到原來的高度就要通過更大的距離,連續(xù)減小其次個斜面的傾角,使它最終成為水平面，小球就再也達不到原來的高度,而要沿著水平面以恒定速度。下面我們用抱負的方法來討論這個抱負實驗。伽利略這一抱負實驗是建立在這樣一個假設(shè)條件——如果沒有摩擦。這里的摩擦是指滑動摩擦、靜摩擦、滾動摩擦,還是籠統(tǒng)指三者？在這個抱負實驗中，小球的運動狀態(tài)是“滾”.對于只滾不滑的情況，沒有滑動摩擦；假定小球和斜面都是抱負剛體的話，也沒有滾動摩擦力偶，但是靜摩擦卻不能沒有！否則，小球不行能從斜面上滾下。由此，很容易產(chǎn)生兩個問題.（1)如果僅存在靜摩擦,那么小球能否再滾到原來的高度呢？在上滾的過程中，由于靜摩擦力的方向與運動方向相同，它將阻止球轉(zhuǎn)動，使球的轉(zhuǎn)動越來越慢，直至停止?jié)L動。又由于這個靜摩擦力不做功.因此，由機械能守恒定律可知,小球能滾到原來的高度.（2）如果其次個斜面變成了水平面，小球能否沿著水平面以恒定的速度（速率）持續(xù)運動下去？這是可能的，由于這時靜摩擦不存在。對此，可做如下分析.圖a圖b如果靜摩擦力存在,那么小球在水平方向上僅受到這個摩擦力的作用，這個作用必將轉(zhuǎn)變小球的運動狀態(tài)。如果這個摩擦力與小球的運動方向相反，如圖ａ所示,那么這個力一方面要使小球的平均速度減慢，另一方面要使小球的轉(zhuǎn)動角速度加快,亦即使平動速度加快。如果這個摩擦力與小球的運動方向相同,如圖b所示,那么，這個力一方面要使小球的平動速度加快,另一方面要使小球的轉(zhuǎn)動角速度變慢，即使平動速度減慢。可見,如果靜摩擦力存在,都會使得原來不滑動的小球在這個靜摩擦力的作用下發(fā)生滑動,這顯然是不合理的。因此,這個靜摩擦力的方向既不行圖a圖b從上面的分析可見,伽利略這一抱負實驗若要確保原理正確，其假設(shè)條件不應(yīng)該是“如果沒有摩擦”,而應(yīng)該是“小球只滾不滑，且小球與斜面都為抱負剛體”。當然，伽利略在設(shè)計這一抱負實驗時的上述不足,并不肯定就是伽利略的疏忽。這也許是后人在敘述這一抱負實驗時外加的,也許是伽利略的知識局限性所引起的，由于在當時關(guān)于摩擦的知識還比較缺乏.（3）不能“迷信”做實驗討論不能“迷信”,凡事應(yīng)經(jīng)過自己分析討論后再作出結(jié)論，或決定取舍,決定承認與否。例3：靜電實驗中的絕緣問題。靜電實驗比較難做，往往難就難在絕緣問題上.為什么靜電實驗中絕緣問題如此重要呢？一般都認為,由于靜電具有電壓高、電量少的特點,電壓高容易漏電，電量少一漏就光。所以,靜電實驗的關(guān)鍵要解決絕緣問題。筆者認為這樣的解釋不精準。①靜電有電壓高、電量少的特點嗎?把電壓高、電量少作為靜電的特點,是以下面兩個實驗為基礎(chǔ)的。a.說明靜電有“電壓高”的特點的實驗。將直流電壓為220Ｖ或3８0V的火線用絕緣導(dǎo)線接到金箔驗電器的導(dǎo)棒上去，把地線接到驗電器的外殼上,便見金箔張開，但其張角并不大。若把某一帶靜電的帶電體去接觸驗電器導(dǎo)棒，金箔張角要大得多，有時幾乎張成直角?？梢?，金箔的電壓（亦即帶電導(dǎo)體對地而言的電勢差）高到幾百伏乃至幾千伏,這就表明一般的帶靜電導(dǎo)體的電壓是相當高的.就上述實驗本身(現(xiàn)象）來說沒有問題，但由此推論靜電有電壓高的特點是不夠嚴密的.一般的干電池兩端有靜電荷，但由這些靜電荷產(chǎn)生的電壓（不大于電池的電動勢）是很小的,它不足以使驗電器張開一個可見的角度。由此,是否說明白靜電電壓低呢?用感應(yīng)帶電的方法可以使物體帶上少量的靜電荷。這些電荷可以使驗電器僅張一個很小的角度,這是否說明靜電電壓低呢？一般遠距離輸電的電壓都在萬伏以上，比起“幾百伏乃至幾千伏”的靜電來說,電壓要高，這是否又說明白靜電電壓低呢?也許，有人認為用摩擦的方法獲得的靜電有電壓高的特點，事實亦并非如此。兩個物體相摩擦，組成物體的材料以及它們接觸的情況和摩擦的速度不同，產(chǎn)生的電荷的多少就不同，它們能使驗電器箔片張開的角度的大小也是不同的。其實，靜電荷能產(chǎn)生多高的電壓,不僅取決于電量的多少,還取決于靜電荷的分布情況。對于肯定量的靜電來說，如果分布在一個電容很小的導(dǎo)體上,那它產(chǎn)生的電壓就高;如果分布在一個電容較大的導(dǎo)體上,那它產(chǎn)生的電壓就低。對于肯定的帶電導(dǎo)體來說,如果所帶電荷多,那它的電壓就高；如果所帶電荷少,那它的電壓就低。因此,我們沒有理由說靜電的電壓肯定高(即有“電壓高"的特點)，更沒有理由說靜電的電壓肯定比“動電”的電壓高。ｂ。說明靜電有“電量少”的特點的實驗。使兩個用絕緣絲線吊著的輕薄的小紙片感應(yīng)帶電（使其帶上同種電荷)。然后提起絲線,兩張片相斥推開。依據(jù)紙片所受的重力G、靜電力Ｆ和絲線的張力T三力平衡，估算出紙片上的電量為10-9的數(shù)量級，而一個手電筒小電珠上每秒鐘所流過的電量約為C/3。這個數(shù)量約為紙片帶電量的1０00萬倍.可見，紙片所帶的電量格外微小.上述論證也是不嚴密的.一般來說,靜止物體和運動物體從數(shù)量上不是都能進行比較的。上述論證中，將靜電荷與流過某一物體（截面）的動電荷從數(shù)量上進行比較必定涉及到時間的因素。在１秒鐘內(nèi)相比，靜電少得可憐。但,在億分之一秒、千億分之一秒的時間內(nèi)相比,靜電是否還比流過小電珠的電量少得可憐呢？事實上情況是不同的。綜上所述,靜電并沒有所謂“電壓高、電量少”的特點。②為什么通常的靜電實驗需要較高的電壓？在很多靜電實驗中，要求帶電體的電壓比較高。這主要是由兩個因素決定的。a．測量儀器的靈敏度。一般用的靜電測量儀器，如箔片驗電器、靜電計的靈敏度都不高。一般認為較靈敏的純金金箔(箔的厚度約為萬分之一厘米)驗電器，要使其張開一個看得見的小角度，也需近百伏的電壓。一般的廠制指針靜電計則需好幾百伏的電壓才能張開一個顯見的角度。b．顯示裝置的靈敏度和器材的性質(zhì)。如帶電體吸引中性體的實驗,若帶電體的電壓不高,就很難使這個吸引作用能清楚而明顯地顯示出來.再如，介質(zhì)的極化、電壓不高、極化作用不大，也難以表現(xiàn)出來,等等。③為什么靜電實驗的關(guān)鍵要解決絕緣問題？要保證靜電實驗?zāi)茼樌M行,就需使得帶電體不容易漏電.靜電實驗中的漏電，就是帶電體向周圍的物體轉(zhuǎn)移電荷。帶電體是否容易轉(zhuǎn)移掉電荷，主要取決于什么呢？對此,我們可以通過下例來粗略地分析。設(shè)一個電容為C、帶電量為Q0的導(dǎo)體球，由一根電阻為R的絕緣棒支撐著（假定周圍空氣的絕緣性能十分好），如圖所示。由導(dǎo)體通過絕緣支柱放電的微分方程：?????? ? ?? ?(１）可得導(dǎo)體球上的電量的變化情況由下式?jīng)Q定:?? ?? ?? ?? ?(２）導(dǎo)體球的電壓（電位）隨時間的變化情況由下式?jīng)Q定：? ?? ? ? ?（３)假如導(dǎo)體球的電容為５pF(直徑約10ｃm），開頭時的電壓為2000V,絕緣支柱長為20cm,半徑為0．５cm，材料是干燥的木棒(其電阻率ρ約為１014Ω·mm2／m）,其電阻R約為2．５×1011Ω,那么,時間常數(shù)τ＝RC＝１．25s，由(2）、（３）式可得，ｔs后導(dǎo)體球上電量和電壓的量值如下表所示（U０＝20０0Ｖ，Q０＝CU０）:t(秒)01234567８Ｑ／Q010．４4９0.2020．0９10．0４1０．01８0。0080．00４0。002Ｕ（Ｖ)２0008994０4１81８2361６73如果絕緣支柱是石蠟（電阻率約為102２Ω·ｍm2／ｍ）做的,其電阻約為2。５×10１９Ω，那么，τ=1.25×10８s，即約為４ａ,由(3)式可得，1ｈ后,導(dǎo)體球的電壓才從2000V下降到１９99。9Ｖ。顯然，這個帶電導(dǎo)體球如果用干燥木棒做絕緣支柱的話，電荷很快就漏光，根本無法用以實驗；如果用石蠟做絕緣支柱的話，電荷不易漏掉，基本上能在實驗時間內(nèi)保持電荷不變。由(2）、（３）兩式和上例實際數(shù)值的計算可見，帶電導(dǎo)體球是否容易漏電主要取決于RC的大小;如果導(dǎo)體球的電容和絕緣支柱的外形、大小肯定，那么帶電導(dǎo)體球是否容易漏電，主要取決于絕緣材料的電阻率ρ的大小。因此，為了使實驗中沒有明顯的漏電現(xiàn)象，以保證實驗?zāi)茼樌M行，必須解決實驗中的絕緣問題,選用絕緣性能好的絕緣材料.（4）注意“偶然現(xiàn)象”要隨時籌備發(fā)現(xiàn)是嚴重的偶然現(xiàn)象，這些偶然現(xiàn)象中有的并非偶然，可能包含我們未熟識的事物和規(guī)律。能暴露我們思維的缺陷和實驗的不足。擅長抓住偶然現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問題、深化討論是實驗討論者應(yīng)用的素養(yǎng)。例4:物體的穩(wěn)度圖1高中教材都把物體不易傾倒的穩(wěn)定程度叫穩(wěn)度.并且通過對磚的三種放置狀態(tài)、穩(wěn)定情況的實驗和分析，以及對比相機三角架穩(wěn)定情況的論述，說明:穩(wěn)度的大小跟物體的重心的凹凸圖1然而，日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的很多實例說明，穩(wěn)度的大小并非簡潔地決定于重心的凹凸和支面的大小。例如，如圖1所示的兩個大小和重量相同但外形不同的物體(可以是堆砌的磚塊等），雖然重心凹凸和支面大小相同，但是圖2很顯然甲物體比乙物體穩(wěn)。再如，如果將圖3—16甲中照相機三角架的ｂ桿拉長，Ｃ桿向后移（a，b桿的撐地點不變),如圖２圖2說穩(wěn)度與重心凹凸和支面大小有關(guān)，這僅是一種閱歷.3.３基本設(shè)計思想的形成做實驗方法和實驗方案的討論,要擅長分析、歸納實驗的設(shè)計思想,找出實驗中要解決的重點和難點及其解決方法.不僅如此，還應(yīng)分析整個實驗的設(shè)計思想以及分析實驗中某一過程或某一方面的設(shè)計思想.設(shè)計思想是為了解決問題而思維的結(jié)果.因此，分析設(shè)計思想首先要分析、推斷設(shè)計思想所要解決的問題和所能解決的問題,只有這樣才能為我們評價設(shè)計思想的優(yōu)缺點,進而評價實驗實施方案的優(yōu)缺點供應(yīng)實際意義的依據(jù).例1：閉合電路歐姆定律實驗演示。閉合電路歐姆定律演示實驗，一般用拆開原電池法，如圖所示（這是其中之一種）。為什么要拆開原電池？拆開原電池要解決什么問題？它能起到多大的作用?對此，在接受這個實驗前，我們需要進行分析思考.孔子說：“視其所以，觀其所由，察其所安,人焉瘦哉!"要了解一個人應(yīng)該這樣，要了解實驗的設(shè)計思想,也應(yīng)該首先從外表上觀察它怎么做、起什么作用，然后分析它為什么要這樣做,最后檢查它這樣做的效果如何，內(nèi)容、效果與原理是否全都。我們知道,閉合電路歐姆定律演示實驗需要使同學(xué)都能清楚地看到：當外電路電阻變化時，①內(nèi)、外電壓之和為一常數(shù);②內(nèi)、外電壓有明顯的變化(變化幅度盡可能大）。要滿意上述兩點實驗要求，必須使得：①電源的電動勢較穩(wěn)定；②電池的極化現(xiàn)象要小——電流不能太大，所以內(nèi)阻不能太??；③測內(nèi)電壓用的探針的極化電動勢要小-—選合適的材料做探針；④需加大電池內(nèi)電阻,內(nèi)電阻與外電阻的大小關(guān)系恰當；⑤演示電表的量程及內(nèi)阻恰當。①、②、③為滿意第1個實驗要求，④、⑤為滿意第２個實驗要求。這里,增大電源（電池）內(nèi)電阻是實驗方案要解決的一個關(guān)鍵問題。增大電源內(nèi)電阻的常用方法有兩種:①在兩個內(nèi)阻很小的電源中串一個電阻，作為模擬電源內(nèi)電阻；②拆開原電池，掌握電池內(nèi)離子通道,如減小其截面積、增大其長度,以此來增大內(nèi)電阻。圖示的拆開原電池，在兩個半電池之間用鹽橋連接以增大內(nèi)電阻就是采納這種方法。例2:幾何光學(xué)實驗演示。在幾何光學(xué)實驗中，我們可以用光盤來實驗,也可以用煙箱來實驗,還可以用混入少量的懸濁質(zhì)的水箱來實驗。這是由于幾何光學(xué)實驗裝置所要解決的一個主要問題是光路的顯示問題.而解決這個問題的基本方法是利用白屏對光的漫反射,或利用水中的懸濁質(zhì)和空氣中的煙塵等微粒對光的散射來顯示光路。熟識到這一點,就有利于抓住實驗關(guān)鍵和自制實驗裝置。設(shè)計思想的分析，應(yīng)從如下三個方面考慮：(１)物理原理（2)教學(xué)要求或有用要求（3）儀器制作或裝置搭配中的一些工藝和選擇的問題上述三點中（3）是最容易被忽視的,（1)是最重要的。3.4實驗?zāi)Ｐ偷慕嶒災(zāi)Ｐ偷慕⒅饕紤]兩個方面:知識結(jié)構(gòu);實驗和教學(xué)要求。1．依據(jù)知識結(jié)構(gòu)建立實驗?zāi)Ｐ臀锢韺嶒炇俏锢斫虒W(xué)的基礎(chǔ)，是建立物理知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。不同的物理內(nèi)容和知識結(jié)構(gòu)，必有其相應(yīng)的實驗?zāi)Ｐ秃蛯嶒灧椒?因此，從物理內(nèi)容和知識結(jié)構(gòu)動身,有利于抓住實驗問題中要解決的關(guān)鍵問題，為確定實驗設(shè)計的思維方向供應(yīng)依據(jù).以運動學(xué)、動力學(xué)實驗為例闡述。力學(xué)實驗要解決的主要問題是對位移、時間、質(zhì)量和力的測量和顯示，只要能測量出上述各力學(xué)量，就能據(jù)此探究或驗證力學(xué)規(guī)律。運動學(xué)實驗:主要解決對位移和時間的測量和顯示.動力學(xué)實驗:主要解決對位移、時間、質(zhì)量和力的測量和顯示。一般而言,質(zhì)量和力的測量比較容易，而對位移、時間的測量和顯示是力學(xué)實驗中要解決的主要問題.教學(xué)實驗中,測量和顯示位移、時間的基本方式一般有三類:（1)定位測量現(xiàn)將物體某一段運動路程中的始點和終點確定，在測定物體經(jīng)過這段路程所用的時間。常用測量儀器如下:Ａ.機械秒表、電子秒表、手控或電控（同步）開關(guān)等；B.數(shù)字計時器;C．聲光比較。(2）定時測位讓物體在規(guī)定的時間內(nèi)運動，測出在這段時間內(nèi)物體的運動位移。常用測量儀器如下：A.節(jié)拍器、滴水的等時聲響測位；B。依據(jù)擺的等時性測位;C.等時間隔描跡定位;D.等時測位比較.(3）定位、定時A。用于勻變速運動；B。用于勻速運動。2．依據(jù)實驗和教學(xué)要求建立實驗?zāi)Ｐ蛯嶒炘O(shè)計思想中必定包含對實驗的要求和教學(xué)的要求，格外是對于教學(xué)中使用的演示實驗更是如此.圖1圖1圖1從實驗要求和教學(xué)要求來看，實驗方案模型中應(yīng)包含兩個內(nèi)容:①磁場;②可以通電的,且可以運動的導(dǎo)體。實驗主要要觀察的是導(dǎo)體的“動”。如何使導(dǎo)體“易動"且“動得明顯”，是實驗設(shè)計中首先要考慮的問題.一般課本都采納如圖1所示的實驗裝置,這個裝置采納圖1除了“滾動"的方法外，還有哪些“易動”且“動得明顯"的方法呢？對此，至少還有下列幾種。圖4圖2圖5圖3(１）圖4圖2圖5圖3（２)轉(zhuǎn)動。實驗裝置大致如圖3所示。(３)豎直平面內(nèi)的運動。裝置大致如圖4、圖5所示。3。抽象出實驗?zāi)Ｐ筒⒃O(shè)計其它實驗方案若一個實驗有多種實驗方案，則這些方案必有某種聯(lián)系或共同特征。如果能夠依據(jù)某一實驗方案,分析出它們的共同特征,就可抽象出某一實驗?zāi)Ｐ?，就可以設(shè)計出其它實驗方案。例２:牛頓第三定律。圖2圖1有一個驗證牛頓第三定律的實驗方案是這樣的.在一個圓盤測力計A上掛一塊磁鐵,在另一個相同的圓盤測力計Ｂ上放一塊鐵（使其與磁鐵等重），兩測力計的示數(shù)相同，如圖1。然后，將測力計Ａ移到測力計Ｂ的上方.這時，鐵塊與磁塊要相互作用，作用的結(jié)果使得兩測力計的示數(shù)發(fā)生了變化——A的示數(shù)增大、B的示數(shù)減小,如圖2。這說明鐵塊對磁鐵的作用力的方向向下，磁鐵對鐵塊的作用力的方向向上。A增加的示數(shù)等于圖2圖1這個實驗用了這樣一個模型：籌備兩個包含測力裝置（如測力計）的系統(tǒng)(如圖1中的a和ｂ，讓這兩個系統(tǒng)或系統(tǒng)中的一部分(如磁鐵和鐵塊）相互作用,作用的結(jié)果由各自的測力裝置反應(yīng)出來，分析測力裝置示數(shù)的變化從而驗證牛頓第三定律.依據(jù)這個模型，可以設(shè)計幾十個實驗方案。下面舉3個例子。圖4圖3(1)上面這個實驗說明白磁引力滿意牛頓第三定律.如果將圖1中的馬蹄形磁鐵和鐵塊都換成圓形磁鐵,并且使其極性相對，即可演示說明磁斥力也圖4圖3（2）如圖3所示，將重物P擱在托盤測力計的托盤上.可見，彈簧秤削減的讀數(shù)與托盤測力計增加的讀數(shù)相同。由此說明重物P與托盤之間的相互作用力（彈力)滿意牛頓第三定律.(3）如圖４所示,將廢電池P浸在杯里的水中?？梢姀椈沙訙p小的讀數(shù)與托盤測力計增加的讀數(shù)相等.由此說明電池對水的壓力與水對電池的浮力(兩者都是彈力）滿意牛頓第三定律.4．利用相同的實驗方法解決不同實驗中相同的問題很多實驗，其實驗?zāi)康碾m然各不相同,但實驗中需要解決的問題是相同的或相像的。在分析某實驗的設(shè)計思想和實驗方法后，不僅需要考慮此方法（或模型)的優(yōu)缺點，由此設(shè)計出其它的方法或不同的方案,還要考慮此方法（或模型)能否用于其它實驗之中.例３：微小形變的顯示.一切物體在受到壓力或拉力時都要發(fā)生形變，鋼絲也不例外,只不過它不像橡皮筋的形變那樣顯而易見。圖2圖1在一般情況下，鋼絲受到外拉力后的相應(yīng)伸長是微小的.如何讓這個微小的伸長顯示到足以使同學(xué)能明視的程度,是鋼絲受力伸長實驗的裝置中必必要解決的問題。解決的方法顯然只能設(shè)法放大，由于取一段很長的鋼絲的方法是不行取的。放大的方法有多種，如用力學(xué)的方法、電學(xué)的方法、電子學(xué)的方法、光學(xué)的方法等等。這些方法在這個實驗中都可以用，但是最便利的方法還是利用杠桿原理進行杠桿放大的方法。依據(jù)這一思想可以設(shè)計如圖圖2圖1學(xué)校的熱膨脹實驗也是一個需要解決微小的長度變化放大問題的實驗,它也可采納與圖１所示的裝置原理和結(jié)構(gòu)類似的裝置，如圖2所示.圖3在圖1、圖2所示的杠桿放大裝置中,裝置的放大倍數(shù)是不大的。上述的放大形式稱為一級放大。若需放大倍數(shù)大些，可采納二級放大的形式（如圖3圖3若需要說明銅和鐵的熱膨脹系數(shù)不同，可把兩個如圖３所示的裝置并在一起（成為一個儀器）,然后讓長度相同的銅棒和鐵棒在相同的情況下加熱，由各自指針偏角不同來說明之.3．５實驗方案的設(shè)計與比較對每一個實驗,要盡可能地收集和設(shè)計實驗方法和方案,以便于比較。1。實驗方法和實驗方案的比較一個實驗,可有多種不同的實驗方法，它們依據(jù)不同的實驗原理，可用于不同的教學(xué)階段，服務(wù)于不同的教學(xué)目的.同樣,一種實驗方法,也可以有不同的實驗方案。例1：加大內(nèi)阻的方法。閉合電路歐姆定律實驗裝置中加大內(nèi)電阻的方法，一般有兩種。其中一種是用減小原電池內(nèi)部離子通道截面積和增加長度的方法來增加內(nèi)電阻。這種方法常用的方案有以下幾種。（1）用鹽橋拆開原電池，如圖1所示；(2）用隔板拆開原電池，如圖2所示；（３)用可變內(nèi)阻的蓄電池，如圖３所示;圖1圖2圖3圖1圖2圖3圖4２．實驗方法和實驗方案的選擇由于教學(xué)時間所限,對同一實驗的不同實驗方案要進行選擇,而選擇的依據(jù)是聽從教學(xué)目標和教學(xué)要求，同時還應(yīng)考慮演示實驗和分組實驗的要求.一般而言應(yīng)注意如下幾點：(1）儀器裝置簡潔明白，易于搭配或制作。（２)現(xiàn)象清楚、效果明顯、易于操作、平安牢靠、重復(fù)性好。(３）緊密協(xié)作課堂教學(xué)。（4）同學(xué)易接受。例2:通電導(dǎo)線在磁場中運動的。圖4圖3圖2圖5圖1比較圖1到圖４所示的裝置，從結(jié)構(gòu)來看,圖1、圖２的裝置簡潔明白、易于搭配；從效果來看,也是圖1、圖2的裝置現(xiàn)象清楚較直觀；從便于課堂教學(xué)講解來看，對于學(xué)校同學(xué),似乎圖１的裝置更直接,更便利一些。在圖1圖4圖3圖2圖5圖1例３：吸氣球?qū)嶒?。先在一個空瓶(如鹽水瓶、三角燒杯等)里倒入1/4容積的熱水，晃動一下瓶子,將水倒出，隨后飛快將一只氣球套在瓶口上，讓瓶內(nèi)的空氣與瓶外空氣隔開，然后把瓶子放在盆里用冷水澆瓶的四周(或?qū)⑵孔硬逶诶渌校?，使瓶?nèi)的空氣較快冷卻,可見，氣球被吸入瓶內(nèi),且漸漸變大，如圖所示。這個實驗常被用來說明大氣壓的存在.當然，氣球的吸入與大氣壓不無關(guān)系，但如何向?qū)W校同學(xué)講清這個實驗的原理，而又能為同學(xué)所理解和接受呢？這是很困難的.由于學(xué)校同學(xué)并沒有這樣的知識：肯定質(zhì)量的氣體，當其溫度降低時，其壓強要減小。所以,這個實驗在學(xué)校講授大氣壓強時演示不太合適，而應(yīng)當在高中講氣體性質(zhì)時演示.3。６實驗裝置與實驗器材的選擇實驗儀器和材料是不行缺少的，若不搞清楚實驗裝置的原理，不了解儀器的原理、結(jié)構(gòu)、性能,不了解材料的特性，就不能合理地選擇器材，不能很好地使用那個儀器,充分發(fā)揮實驗器材的作用,也不能有效地進行實驗。同時，加強對實驗裝置和器材的討論，對于儀器的自制、實驗的設(shè)計、裝置的確定和搭配等都有好處。1.分析裝置的原理和特點要做到合理地選擇實驗裝置和實驗器材，首先應(yīng)分析裝置的原理和特點.不了解裝置原理就不能合理地選擇器材，不能抓住實驗的要點,并正確地進行操作。憂郁裝置原理大多是由設(shè)計思想決定的,因此，分析裝置原理，進一步了解設(shè)計思想和實驗方法，有利于了解裝置的特點，有利于實驗裝置的改進，以及激發(fā)設(shè)計新的實驗裝置的靈感。例１：感生電動勢的演示。高中物理課本在引入感生電動勢概念后便指出，“在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，不管電路是否閉合,只要穿過這個電路所圍面積的磁通量發(fā)生變化，電路中就有感生電動勢.如果電路是閉合的,電路里就有感生電流，如果電路是斷開的，電路中就沒有感生電流,但感生電動勢仍然存在?！睘榱藥椭型瑢W(xué)理解這段話，我們應(yīng)該制造條件讓同學(xué)觀察到當電路不閉合時,感生電動勢仍然存在的現(xiàn)象.為此，可采納如圖所示的實驗裝置。圖中，C為線圈,S為碰撞開關(guān),Ａ，B為靠得很近但不接觸的絕緣金屬平板。裝置左邊的虛線框中的部分相當于一個電池，右邊的虛線框中的部分就是圖示裝置的“遷移”--用以顯示感生電動勢存在的顯示裝置.圖1當條形磁鐵從線圈中飛快抽出時，線圈中的磁通量飛快變小，線圈導(dǎo)線中的自由電子在渦旋電場的作用下，向某一平板堆聚，從而使兩平板帶上大量異號電荷。當條形磁鐵沖擊碰撞開關(guān),切斷了A板與線圈的通路，Ａ板上的大量電荷就被保留下來了。這時，A板上的對地電壓是不大的（充其量等于磁鐵抽出產(chǎn)生的最大感生電動勢）,它不肯定能使驗電器張開一個可見的角度。然后，移開B板，使平行板電容器的電容大大減小，這時,Ａ圖1由驗電器箔片的張開，說明白平行板兩極板上帶上了電荷,說明白在磁鐵抽出線圈——線圈內(nèi)磁通量變化時,兩極板間——線圈的兩端存在著電壓，即線圈內(nèi)存在著電動勢-—由電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的感生電動勢.例2:光電效應(yīng)的演示.高中物理課本在講到光電效應(yīng)時，都首先介紹了這樣一個實驗:把一塊擦得很亮的鋅板連接在靈敏驗電器上，用弧光燈照鋅板（圖1），驗電器的指針就會張開一個角度，表示帶了電，進一步檢查知道鋅板帶的是正電，這是由于它的電子在紫外線的照耀下從表面飛出，鋅板中缺少了電子，于是帶正電。這個實驗按課本所述的方法，一般不太容易成功。其緣由是：開頭時,鋅板上的電子在紫外線的照耀下從表面飛出去，鋅板就帶上了正電，在周圍的空間里就形成了一個電場，這個電場對電子的飛出有一個阻礙作用(即鋅板上的正電荷對飛出電子的吸引作用)；隨著飛出的電子增多，鋅板上所帶正電荷增多、電位上升、周圍的電場增強、對電子飛出的阻礙作用增大,直到電子飛出時的最大初動能與電子在電場中的電勢能相等時，電子就無法飛離鋅板，鋅板上的電荷就不會再增強,電位也就不再上升,于是就達到了平衡狀態(tài)。這時，鋅板的電位可以高到多少伏呢?對此，我們可以這樣來推算，依據(jù)愛因斯坦光電效應(yīng)方程及達到平衡的最大初動能等于其靜電勢能可知，鋅板可達到的電位為:式中：h＝6。63×１0—34Ｊ·ｓ,v0=８．０6５×１０14Ｈz,e＝1.60×１０-19C．一般弧光燈發(fā)出的紫外線頻率r的數(shù)量級可達101５Hz,所以,Ｕ的數(shù)量級僅為１00V,即至多達到幾V（最多不超過幾十V），而一般指針驗電器對幾伏的電位差是檢驗不出來的，這就是課本所述的方法一般不易成功的道理。圖2有些書在介紹這個實驗時,通?？偸钦f先給鋅板帶負電,使驗電器指針張開一個角度，然后,用弧光燈照耀鋅板，可看到驗電器指針飛快合攏。由此再說明鋅板上的電子在紫外線的照耀下飛了出來.由前面的分析可見，這個方法之所以易于成功，是由于開頭時鋅板的電位為負，它對光電子不是起阻礙作用,而是起加速作用;隨光電子的飛出，鋅板的電位上升,最后當鋅板的電位達到正的幾伏時，光電子不再飛離鋅板面，從而達到平衡狀態(tài)，在這個過程中，鋅板上電位的變化幅度較大，驗電器指針的搖擺就能清楚地顯示出來了。圖2但是，這種方法常會使同學(xué)誤解，認為只有帶負電的金屬板在光的照耀下電子才能從金屬表面飛出而產(chǎn)生光電效應(yīng)。為了避開這些問題，又能把課本所述的實驗做成功,我們可利用平行板電容器在所帶電量(基本）不變的情況下,兩極板間的電位差隨電容器電容的減小而增大的緣由，對課本所述的實驗裝置進行了改進.改進后的裝置如圖2所示.P１（鋅板)和P2（金屬板）組成平行板電容器；兩極板相對面上分別貼上相同材料的塑料薄膜,兩板緊靠,將金箔驗電器的導(dǎo)棒和外殼分別與P１板和P2板連接。演示時，先用砂紙把Ｐ１板向外的一面打光，然后，用弧光燈或紫外燈照耀鋅板P1，鋅板就有光電子飛出，隨之，鋅板的電位升到幾伏(達到平衡狀態(tài)），這時，驗電器箔片并不張開。但是由于Ｐ1、Ｐ2組成的電容器的電容很大，所以P1板上積聚的電荷較多.熄掉弧光燈箔片仍不張開(P1和P2間的電位差仍只有幾伏)移走P2板，即減小電容器的電容,這時由于Ｐ1板上的電量基本不變,所以P１板的電位飛快上升，從而使得驗電器導(dǎo)棒的電位（即導(dǎo)棒與外殼的電位差)飛快上升,驗電器箔片就張開了一個明顯的角度。驗電器箔片的張開說明白兩極板之間有電位差，即P１板上帶有電荷,通過檢驗可知，它帶的是正電。由此可說明鋅板在弧光燈紫外線照耀下發(fā)生了光電效應(yīng)現(xiàn)象。如果再把它與白熾燈代替弧光燈照耀鋅板面不發(fā)生上述現(xiàn)象加以比較,則能說明光電效應(yīng)的發(fā)生與入射光頻率有關(guān)的事實。2．分析和掌握儀器的結(jié)構(gòu)、原理和性能在此，必須作如下幾個方面的工作：（1)分析儀器的結(jié)構(gòu)和掌握儀器的工作原理分析儀器的結(jié)構(gòu)主要是：A．儀器的外形大致分幾個部分；B.各部分的器件及其所用材料和大致作用;C．各部分的作用和相互聯(lián)系;D．實驗者操作的部件；E.儀器的主要工作部件，活動部件和易損部件。分析儀器的原理主要是:儀器工作原理與儀器的設(shè)計思想之間有區(qū)分和聯(lián)系.設(shè)計思想常帶有“抱負化”顏色.按設(shè)計方案制作的儀器會因選材、搭配、加工、組裝以及實際使用等因素的影響，使其工作情況和原理偏離設(shè)計方案。因此，應(yīng)針對簡略的儀器分析其工作原理和工作情況。此外,儀器說明書中有很多是“抱負化”設(shè)計思想的原理，不肯定是儀器的工作原理。（2）了解儀器的制作過程這有利于弄清楚儀器結(jié)構(gòu)、原理,對于正確操作、正確使用儀器、修理儀器以及仿制、改進、自制儀器都很有幫助。(3)了解儀器的技術(shù)參數(shù)和一般用途A。了解儀器的技術(shù)參數(shù)儀器的技術(shù)參數(shù)決定了儀器的使用范圍以及使用中的很多問題（如：儀器選擇、誤差來源及大小等等）。因此,使用儀器前應(yīng)仔細了解儀器的技術(shù)參數(shù)(例如：電表、天平）。例如：用一只2。5級、測量范圍為0~3V的電壓表來測量電壓,我們可以說用這個表測出的3V以下的電壓值，可能消滅的最大相對誤差在２。5％以上。如果一次測量值是２Ｖ，那么,其電壓的真實值可能在2±3×2．５%V范圍內(nèi)。例如:天平有一項技術(shù)參數(shù)為“不等臂性”。不等臂性是指因天平橫梁兩臂不等所引起的稱量誤差最大值(常以“毫克"為單位)。這個參數(shù)常會因天平的使用次數(shù)以及使用情況、使用時間的長短和保養(yǎng)等因素的影響而有所變化。因此,單看出廠時的技術(shù)參數(shù)也未必正確（除非在每次使用前再重新測量一下，但又不經(jīng)濟）.對此,人們?yōu)橄@一誤差而設(shè)計了下述方法：復(fù)稱法:左盤載物，右盤加碼，稱量值為M１,然后對調(diào),使右盤載物、左盤加碼，稱量值為Ｍ2，于是,更為精確的測量值.替代法:左盤載物，右盤加干砂，使天平平衡，拿起左盤被稱物，代之以砝碼，再使天平平衡（右盤的砂子不能動),砝碼所示值即被稱物質(zhì)量。減碼法：右盤放肯定值的砝碼(砝碼質(zhì)量應(yīng)大于被稱物),左盤放入小砝碼,使天平平穩(wěn)。將被稱物放在左盤中，削減左盤中的小砝碼，使天平恢復(fù)平衡，削減的砝碼總量即被稱物質(zhì)量。B．了解儀器的一般用途有利于更有效地發(fā)揮儀器的作用.由于這些儀器在制作時可能是為某一用途設(shè)計的，但是，在使用過程中去發(fā)現(xiàn)還可作它用.例如:驗電器的用途。隨著人們對靜電現(xiàn)象的討論以及對驗電器的大量使用和討論,驗電器的用途已遠不止上述的一種.就現(xiàn)在來看，我認為驗電器的用途大致有以下六個方面。(１）檢驗物體是否帶電。將待檢驗物體靠近或接觸驗電器的金屬球,依據(jù)金箔是否張開可推斷該物體是否帶電。（2）辨別電荷的種類。先使金箔帶上某種已知電荷(例如正電)，箔片張角宜在40°～６0°左右。再將待測帶電體漸漸移近驗電器的金屬球，依據(jù)金箔張角的增減推斷帶電體電荷的正負。（3)檢驗物體的絕緣性。先使驗電器帶電，金箔張開。然后用待測物體去接觸驗電器的金屬球，若金箔張角不變,表示該物體絕緣性很好;若金箔立即下落,表示該物體的絕緣性很差;若金箔緩慢落下,表示該種物體的絕緣性不佳.(4）估測導(dǎo)體的電勢。這主要指三個方面內(nèi)容:①對于有金箔或指針張角對應(yīng)電壓刻度的驗電器（或靜電計），可用其估測高壓電源的開路電壓；②比較電容相同的帶電導(dǎo)體的電勢的大?。虎酃懒繋щ妼?dǎo)體的對地電勢差，估量精度由帶電導(dǎo)體和驗電器的幾何外形及接觸情況所決定.（5）估測導(dǎo)體的帶電量。這也主要指三個方面的內(nèi)容:①估量帶電導(dǎo)體的電量，估量精度由帶電導(dǎo)體和驗電器的幾何外形及接觸情況而定；②比較電容相同的帶電導(dǎo)體帶電量的多少;③將驗電器導(dǎo)棒與法拉第冰筒連接后，可測量肯定外形的帶電導(dǎo)體的帶電量的多少。(6）比較導(dǎo)體電容的大小。方法是:讓兩導(dǎo)體帶等量的電荷或讓兩導(dǎo)體電勢相同，然后，讓它們分別與不帶電的驗電器接觸,依據(jù)兩次金箔張角大小的不同，可推斷兩導(dǎo)體電容的大小。(4)了解儀器的調(diào)整方法與分析其作用和原理儀器在實驗前應(yīng)處于最佳工作狀態(tài),這需要檢驗和調(diào)整。而檢驗和調(diào)整儀器不僅需要了解其工作方式,還要分析其作用和原理。(5)分析儀器的結(jié)構(gòu)原理與改進和自制儀器儀器經(jīng)過使用，改進逐步完善。改進和自制儀器是以分析了解儀器結(jié)構(gòu)和工作原理為基礎(chǔ)的，要注意如下幾點：Ａ．改進方案要有理有據(jù)對儀器的改進部分，要有改進的理由，要做改進前后的比較。例1：氣體受熱膨脹學(xué)校物理課本介紹用如圖1所示的儀器來演示氣體受熱膨脹的現(xiàn)象。裝置由燒瓶，直角玻璃管，橡皮塞，小水柱組成。用手握著燒瓶，使燒瓶里的空氣受熱，溫度上升，空氣的體積要膨脹，可見玻璃管中的小水柱向右移動.這個實驗中，空氣受熱后體積是否膨脹，是通過在直角玻璃管中的水柱的移動來顯示的。顯示部件用直角玻璃管的優(yōu)點主要是使顯示部分較靈敏.由于在水平玻璃管中，水柱容易流淌(玻璃管內(nèi)壁給水柱的阻力可忽視不計），水柱兩端只要有一個較小的壓力差,就能使水柱移動.但是，這一顯示部件也有缺點。①實驗前需保持水平玻璃管處于水平狀態(tài)，否則，水柱會“自動”移動,甚至?xí)鞒龉芡饣蛄魅肫績?nèi)，因此,實驗前的調(diào)整較困難。②實驗中又不能破壞這種平衡,否則,難以向同學(xué)