物理实验设计的基本方法-模板

1、物理实验设计的基本方法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？1 9 9 6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

2、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1 9 9 6年全国 高考第2 1题就是从1 9 9 5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

3、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

4、能的做法，自 己会怎么做.1 .明确目的，广泛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，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.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

5、有何定量关系，并一一罗列出 来：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.在超重或失重(但不完全失重)系统中，F mg= + ma.若FL、 al和m可测出，则重力加速度g可测定.在运动学中，物体从光滑斜面上由静止下滑，s = 12gsin0 t2.若 s、。和t可测定，则重力加速度g也可测定.在运动学中，物体从粗糙斜面上由静止下滑，s = 12(gsin9 p gcose ) t2.若s、e、p和t可测，则重力加速度g也可测定.自由落体运动中，h=12gt2 .若h和t可测出，则重力加速

6、度g也 可测定.用重力加速度测定仪测定.在平抛运动中，竖直方向在连续相等的时间内位移之差 y = gt2.若 y和t可测，重力加速度g同样可以测出.在斜抛运动中，水平射程可以表示为x = v02sin2e /g.若x、 vo和e可测出，则重力加速度g也可测出.单摆做简谐振动时，其周期可以表示为T=2n 1/g .若T和1可测， 则g可测.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.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.假设一物

7、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

8、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.以上三原则通常要综合考虑.在前述方案中，方案（1）中常用的测力计误差较大；（2）中FL和al均不 易测定；（3）中0和t不易测定且难以保证斜面足够光滑；（4）中0、t和 M均不易测定；（5）中若用秒表计时人为因素较大，若用打点计时器计时，纸 带受振针阻力与通常小物块所受重力相比不能忽略；（6）中仪器先进但一般中 学没有；（7）中若用闪光照像技术则是一种好方案，但设备和技术都达不到要 求，若用平抛运动的研究方法误差较大；（8）中

9、0和vO的测量难度较大；（9） 中相对而言较切合中学实际；（1O）中需测定的物理量多且很难采取绝热措施； （11）中学阶段不易测定荷质比；（12）只是一个思想实验，无法付诸实践， 但可估算，代入数据得g = 9.857m/s2，与标准值9.81m/s2只 相差4.8 .综上所述，中学阶段通常采用单摆法测定重力加速度.3.依据 方案，选定器材实验方案选定之后，考虑该方案需要哪些装置，被测量与哪些物理量有直接的定 量关系，这些物理量分别需用什么仪器来测定，从而确定整个实验需要哪些器材. 在“用单摆测定重力加速度”的实验中，是利用单摆装置来进行实验的，故需铁 架台、细线和摆球等来组装单摆.重力加速度

10、可表示为g = 4n 2 1/T2，周 期需用秒表测定；摆长1是从悬点到摆球中心的距离，因此需用米尺和游标卡尺 分别测定摆线长度1和摆球直径d.从实验原理表达式可以看出，实验与摆球质 量无关，故毋需使用天平.当然，从实验方便性和精确性角度考虑，还需对所选器材作进一步要求，以期把 系统误差降到最小.如上述器材中，摆线的伸缩性和质量应较小，摆球的质量应 较大.摆线伸缩性大，其长度会随拉力变化而变化；摆球与摆线质量相差越小， 系统（摆线和摆球）质心偏离摆球中心越远，误差就越大.为了便于观察，摆球 振动的路径宜长，但又要确保单摆做简谐振动，故摆线宜长些，常取1米左右.4.拟定步骤，合理有序实验之前，要

11、做到心中有数：如何组装器材，哪些量先测，哪些量后测，应从正 确操作和提高效率的角度拟定一个合理而有序的实验步骤.对一些可直接测量的 物理量，可先行测量；对需通过实验装置才能测定的物理量，须先组装器材，再 进行实验、观察和测量.在“利用单摆测定重力加速度”的实验中.原理表达式g = 4n 2 1/T2中的 1和T分别为单摆的摆长和单摆做简谐振动的周期.因此应先组装单摆，再测定 摆长，最后让单摆做简谐振动，测定周期T.根据所测数据计算出重力加速度g 的值.至于过程细节不再赘述.5.数据处理，误差分析高考对此要求不高，但常用的数据处理和误差分析的方法还是应该掌握，在设计 实验时也应予考虑.我们不能说全国高考对中学教学起一种指挥棒的作用，但也无法低估高考对中学 教学的导向作用，正确认识并充分利用这种导向作用，对改善中学教学现状是大 有裨益的.因此在高考命题上做点文章，使试题内涵精些，外延宽些，少些“是 什么”，多些”怎么样”，思想自然活跃，花样自然增多.以1 9 9 6年全国高 考第15题为例，若把问题改为：“根据以上数据，能否验证机械能守恒定律？ 试用必要的文字和简明的算式阐明你的观点.”这样一改，