中学物理实验教学原理

中学物理实验教学原理

第一章物理实验教学概论

物理实验在物理教学中有着重要的应用。物理实验是在人为控制条件下，有目的、有计划的

运用仪器、设备、排除次要因素干扰，使物理现象反复出现，获取大量资料的一种科学研究

方法。在中学物理教学中，物理概念的建立，规律发现，以及物理理论提出等，都离不开物

理实验。物理实验不仅是物理发生和发展的科学基础，同时也是物理教学的基础。因而，必

须重视物理实验教学的作用，加强物理实验和物理实验教学理论研究。

§1物理实验在物理学发展中的作用

在物理学长期发展的过程中，物理实验起到了非常重要的作用。特别是近代物理发展的过程

中，实验更是起到了关键的作用，每一次物理实验上的重大的发现都会导致物理实验学理论

的重大发展，因而，从物理学的发展过程中来理解物理实验及其作用，对促进物理事呀教学

具有十分重要的意义。物理实验在教学中具有的功能具有以下的功能。

发现新物质

在物理学的发展过程中，每一新的物质的发现，都和物理实验紧密的联系在一起。特别是随

着物理学研究的深入和进展，物理实验的这种作用更加突出.尤其是人类物质认识层次深入

的规程中，这种认识需要实验提供更加精确的实验条件。特别是技术的进步在物理实验中进

一步应用，使物理学的研究对实验的依赖进一步加强。如粒子物理学中一些新的粒子发现。

探索规律

在很多的情况下，物理规律同时通过物理规律来发现的。每一个新的物理规律的发现，都为

物理学的发展开辟了新的领域，使人类对物理世界的认识进一步深化。物理实验是物理学发

展的基础。如光电效应实验的研究，使人类对光的粒子特性有了深入的理解。光的杨氏干涉

实验、光的衍射实验等实验使人类对光的波动性有了深入的理解。这些实验的的研究进一步

促使了光学理论的建立和发展。

三.测定常数

在物理学的发展中，在许多的理论中引入了物理常数，这些常数的测量与确定，对于确定物

理规律中物理量之间的数量关系以及科学技术的应用等具有重要作用。这些物理学常数主要

分为物质常数和基本常数两类。如物质的比热、电导、光速等。物理学中常数常常通过一些

特定的物理实验来测定。

四.验证假说

物理学在发展的过程中，建立了许多理论的假设和假说，这些假设和假说需要经过实践的检

验得到证实，物理实验在对这些假设和假说的检验中起到了重要的作用。在该方面实验的功

能主要包含以下几点：

1.验证理论建设和假说：

2.推翻已经有的假设和假说；

3.发现有理论的适用范围。

所要说明的是，实验对理论假设和假说的证实的作用并不是检验假设和假说的唯一手段，其

它的检验手段也可以实现对理论假设和假说的检验。

五.推广新技术

物理理论在建立之后必须实现向生产和生活的转化,这种转化往往是在大量实验的基础匕实

现的。在当前，新的技术的实现需要更加纯化的物理环境提供的物理条件来实现，实验的手

段在实现这些技术的转化的过程中的作用也就更加不可以忽视，实验提供了这些技术向生产

和生活转化的纯化的手段，并为技术的研究提供支持。如现代的各种技术的实验室的建立就

是针对改种状况建立的。

§2物理实验在物理教学中的功能

由于重大的物理学的进展都和物理实验的进展紧密的联系在一起，物理实验的这种特征是物

理教学和物理实验紧密的联系的一起。物理实验在教学中担负的功能是物理学本身发展特性

决定的，因而，研究物理实验在教学中的功能对于物理教学的研究与开展以及教学的设计的

研究都具有十分重要的意义。因而，必须在物理教学中，研究物理实验在教学中的功能，是

物理实验的教学有效的服务于物理教学。由于物理教学本身的地位与特点，物理实验在教学

中有着特殊作用。主要表现在以下几点。

一.培养兴趣，激发求知欲

物理实验的这种功能，主要是由物理实验特点决定。

i.创造物理学习的真实场景，具有真实，形象生动的特点。物理实验的真实性与生动性极易

唤起学生学习物理的兴趣。如在冲量的教学中，让学生观察鸡蛋落下时掉在海绵与盘子产生

不同的效果的实验，可以激发学生探索这种物理现象的兴趣。

2.实验是一种有目的性操作行为

自己动手做实验是学生观察实验后自然产生的欲望。因而，学生通过对实验的观察与操作，

可以体验对问题“发现”与"克服”过程中的成功的喜悦，从而提高学习兴趣，增强学习欲望。

创设学习环境

在物理学习中，物理实验提供了大量精心选择、简化、纯化的感性材料，可以使学生获得物

理事实的明确、具体认识。因而，物理实验创设的学习环境在学生学习中，对于概念形成与

规律的掌握具有重要作用。

三.培养学生科学态度，训练学生科学方法

物理实验是学生进行创造意识，科学方法训练的有效途径。实验本身是•种基本的科学研究

方法。

首先，科学实验本身要求实验者具有实事求是的科学态度和勇于探索的精神。因而，通过物

理实验教学可以使学生养成尊重事实，理论联系实际的作风。

其次，在许多物理学的重大发现中，都是通过物理实验来实现的。物理实验本身不经可以提

供许多实验技术的方法，同时，它还提供了大量物理学的思维方法，这些方法可以使学生对

各种思维和方法进行必要的认识，提高学生的科学素养。实验本身提供许多基本研究方法,

如：实验归纳法：实验验证法；真实实验与理想实验相结合的方法。

四.培养学生实验能力

实验是学生手脑并用的实践活动。在实验的过程中，学生要充分理解实验的原理，操作仪器,

观察实验现象，采集分析数据，总结规律等。因而，实验对于学生的动手能力观察能力，分

析能力等能力的锻炼与提高具有重要作用。

五.促进认知结构变化

学生的认知的水平是不同的，物理实验促进学生认知发展的水平的教学形式。物理实验能够

直观的再现物理过程，并通过学生的实践来实现学生学习的深化，增强学生的感性认识，建

立牢固的物理学表象，进而促进学生的认知结构的变化。

§3物理实验主体功能和附属功能划分

在前文中，我们分析了物理实验在物理学发展和物理教学中的功能。物理教育中，我们主要

关心物理实验的教育功能。物理实验的教育功能的发挥是一个复杂过程。对于众多的物理实

验，很多的实验的功能的发挥是直接的，如演示实验可以创设教学问题需要的情景。而学生

实验对于培养学生的实验技能方面的功能比较突出。各类物理实验在教学中的主要的功能是

不一样的。物理实验的教育功能的发挥往往与教学的外部条件、教学设计有关。，并进而研

究保证这些功能发挥的保证条件，才能保证物理实验的总体功能的发挥和实现。在该问题上,

笔者认为：

1.在物理教学中，实验具有重要的地位和作用；

2.在物理教学中，物理实验的教学功能是残缺的，不全面的。即对于具体的物理实验的

个案，实验发挥的功能是有限的。

3.在物理教学中，实验个案具有的所有教育功能中，各教育的功能的地位是不一样的。

其中居于主要地位的功能称为该实验的主体功能；而居于次要地位的功能称为附属功能。

4.物理实验的主体功能和附属功能的发挥和物理教学条件和及教学设计等因素有关，研

究物理实验的主体功能必须研究保证物理实验具体功能发挥的保障条件(包括实验条件和教

学条件)。

5.物理实验的主体功能依据不同的物理教学问题不同而可能发生转化。

6.在解决同一教学问题时，不同的物理实验所发挥的教学效果是不同的。在围绕实验的

主体功能和附属功能的发挥上，也必须注意这种实验的之间的比较研究。

以上是实验教学功能划分的过程中对实验的研究的问题，以下，我们对实验的功能的划分进

一步阐述。

实验功能的多样性和实验教学功能应用的单一性

物理实验用于教学中，具有多种功能，这种理解可以归结为不同的层面，物理实验功能的功

能可以归结为两点：实验功能的多样性和实验功能的单一性。

1.物理实验功能的多样性

物理实验在教学中具有多种功能，这是由实验的特点决定的。对于单一的实验个体来讲，同

•个物理实验可以应用到不同的教学环节中，客观上就表现为多样性。物理实验的多样性主

要表现为三点：

(1)从教学的角度出发，同一个物理实验在不同的教学环节中，表现为不同的教学功

能；

(2)从学习的角度出发，同•物理实验在培养学生的素养方面是多方面的；

(3)

图1

物理实验的多样性还表现为不同的实验组合中，物理实验的教学功能和对学生的素养培养功

能也会表现出多样性。

以下举例来说明这个问题。

重力加速度的测量

用单摆的方法和可以进行重力加速度的测量，如图1所示。

单摆的周期公式为

则重力加速度为

在该学生实验中，•般的设置以下的儿个教学环节：

①测量单摆的摆线和小球的半径；

②让学生测量50个左右的单摆的周期；

③计算单摆的周期和误差。

该实验是一个测量性实验，其目的是通过实验的测量，加深对单摆知识的理解和对重力加速

度的理解；同时熟悉各种其它的实验测量仪器。

从实验的功能来看，该实验可以巩固学生的知识，改进学生的认知结构，培养学生的物理实

验的操作技能等。但是，对于该实验的其它的一些功能（如非智力因素的培养等）发挥则比

较弱，因为，非智力因素的培养是一个长期的结果，通过实验手段来培养学生的非智力因素

则是一个长期作用的结果。

从学习者的角度出发，该实验在对学生的个方面的能力培养方面表现出多样性。同时，该实

验还可以用于其它的教学环节中，如研究性实验中，研究单摆满足的规律等。这些由于教学

要求的变化使同•个物理实验用于不同的教学场合使物理实验在教学中也表现出实验的教

学功能的多样性。

2.物理实验教学功能的单一性

应用于教学中的物理实验，对于一个具体的教学环节来讲，物理实验表现出来的教学的功能

是有限、单•的。物理实验的单•性的含义主要分为以下两点：

（1）对于具体的教学环节，物理实验具有多种功能；

（2）单一的物理实验或实验的组合在具体的教学环节中的功能是有限的。

惯性力实验

图2

如图2—a,为惯性力实验。在一个小车的内部挂一个乒乓球。拉动小车时，乒乓球向与车

的和外力相反的方向偏转。若在小车的内部加入水，同时在乒乓球下方固定另一乒乓球，在

拉动小车时，小球向两个相反的方向发生偏转实验现象，如图2—c。

该实验是一个演示实验，其教学的功能是激发学生的学习的兴趣，提高学生的进一步的探索

的欲望，因而，对该实验来讲，如果仅仅用于课堂演示，该实验的功能是非常有限的。

从以匕的实验分析中，我们可以看出，物理实验的功能研究中，尽管列举了很多的实验的功

能，但是，对于一个具体的实验来讲，物理实验并不是具有以上的所有功能，这和教学的设

计以及实验本身有关，必须动态的研究物理实验的功能。即，对实验来讲，它具有很多的功

能，即实验的功能上表现出多样性，同时，由于实验的教学设计以及实验教学的限制，使得

教学的功能又表现出单一的功能，即物理实验功能的单•性。

二.物理实验的主体功能和附属功能

任何一个实验的功能是有限的，而在某一个实验所涉及的众多功能中，总是一些功能是主要

的而且是直接相关的。我们规定一个实验在特定教学环节中表现出的居于主要地位的实验的

功能为实验的主体功能；与该实验相关的其它功能属于实验附属功能。

对于实验来讲，任何一种形式的教学实验的直接功能是满足学生知识学习的需要，实验的知

识功能是所有教学实验必须具有的主体功能。以下是各种形式实验的主体功能和附属功能。

实验类型主体功能附属功能

演示实验1.知识教育1.非智力因素培养

2.激发学生兴趣2.数据的处理能力

3.建立和解释概念3.实验的设计能力等

4.建立和验证规律

学生实验1.知识教育1.非智力因素培养等

2.操作能力

3.数据处理能力

4.实验设计能力

课外实验.知识教育等1.非智力因素培养等

从上表可以看出，由于实验在教学中的用途的不同，在实验的教学中，实验的主体功能和附

属功能也不会完全相同，这是由实验的特点决定的。

同时，必须注意的是，在物理教学中，实验的功能的发挥不仅包含在一个实验教学中，还包

含在众多实验教学中。在大量实验教学的基础上，实验的功能也会发生变化，如实验的附属

功能可能会转化为主体性的功能。如非智力因素的培养很难通过一个实验教学的进行来实

现，当大量的物理实验结合在一起实施教学时，非智力因素的培养才能实现，这时实验的附

属功能也就转变为主体功能。

因而，研究物理实验的主体功能和附属功能必须注意以下几点：

1.

图3

对每一种实验必须明确认识其主要的功能，即实验的主体功能。

2.注意实验之间结合时，实验的功能的发挥以及实验的功能的转化，使实验的教学效果

达到最佳。

光路组合实验

光线经过凸透镜后，光线会发生会聚，即凸透镜对光线有会聚作用。但是，这种作用是有一

定的条件的，即光线必须是由光疏介质进入光密介质时，才可以满足以上的规律。而学生在

学习忖往往忽视该点。可以安排如图3所示的实验。

在水中放入一个灯泡，让平行光线通过。它的光路就会发生改变。由于灯泡可以看作一个透

镜，则光线的经过透镜时光线会发生改变，由于是由光密介质进入光疏介质，光线不会发生

会聚，如图3-a所示。光线会发生发散，如图3-b所示。

该实验可以在讲解完一般的透镜光路的基础上进行讲解，则该实验就和这些实验结合在一

起，加深学生对知识点的理解和对知识点认识的扩大。将促进物理的教学，这类实验之的组

合具有的新的功能，在教学中注意研究。

三.物理实验功能发挥中的教学因素

物理实验教育功能的发挥在很大的程度上受教学中诸多要素制约。影响物理实验发挥的教学

要素有许多中，主要分为以下几个方面：

1.教学问题的教学顺序设计

由于同一的教学问题可以采用不同的教学序列。因而，对应于每一知识环节的物理实验在采

用不同的教学序列时，实验展现顺序也不会完全相同。而这些不同的教学序列的安排会进•

步影响到物理实验教学效果发挥，即物理实验的教育功能的发挥。

2.物理实验之间关系

物理实验之间存在一定关系。有人对实验之间的关系进行了研究。提出相关实验和系列实验

的概念，即实验之间因教学的需要，它们之间以教学问题为连接形成一定的连接关系，在本

书的后续章节中会对该问题进行论述：同时，实验之间除因教学问题引起的连接关系外，还

必须包含实验知识的学习与后续实验学习之间的关系，它包括实验原理知识的学习和实验的

技能的学习。其中实验原理知识以及实验技能的迁移现象在实验之间的关系的研究中必须引

起注意。

3.物理实验实现方式

物理实验在教学中可以通过不同的方式和手段进行展现和实施。不同的教学手段在实际的教

学的效果中也影响到实验的教学效果，即影响到实验的教育功能的发挥。如：演示实验的教

学效果一般要求演示的效果明显。对演示实验的结果进行展示的手段有多种：直接展示一

即使学生直接观察实验演示的结果；放大演示——通过放大手段使学生进行观察。以上的不

同的教学手段的使用可以影响到物理实验的教育功能的发挥。

4.学生已有学习经验

学生已有学习经验特别是实验学习的经验可以影响到实验的效果的发挥，并进而影响的物理

实验教育功能的发挥。教师在教学的过程中必须研究学生已经有的学习的经验和这种经验对

教学效果的影响。如：

5.实验数量、强度

物理实验在培养学生的非智力因素上——兴趣、爱好、意志等方面——需要一段比较长的时

期，实验数量和实验强度的安排会影响到非智力因素培养。在教学中，尤其是在学生实验中，

研究物理实验的数量以及实验的强度对学生能力的影响也是物理实验研究的一个新的主题。

§4物理实验类型

在物理教学中，各类物理实验在教学中担负的教学功能可能是不一样的，在上面的分析中，

我们已经可以看出各种物理实验的功能的差别，因而，研究不同的物理实验的方法对于物理

实验的教学的开展也是非常必要的。

由于考察实验的角度的不同，对物理实验分类的依据也是不相同的。这些分类的依据主要包

括：实验所在的环境；实验的目的：实验的研究的量度：实验研究的对象；实验的教学的组

织形式。表1中列出了对各类实验进行分类的依据以及分类。

表1实验分类的依据给分类

分类依据实验类型

实验环境实验室实验、自然实验

实验目的探索性实验、验证性实验

实验的量度定性实验、定量实验

实验作用析因实验、对照实验、模拟实验

实验的组织演示实验、学生实验、课外实验

以下我们对我们常见的物理实验的分类进行具体的阐述。

从物理实验的教学组织形式来进行划分的物理实验主要分为：演示实验；学生实验；课外实

验。

演示实验

演示实验”为了揭示所研究的问题的发生、发展，为了引导学生进行观察、思考，由教师做

给学生开的示范性实验……”[1]演示实验是教师为配合教学内容的展开而由教师进行操作，

它一般提供直接的观察的结果使学生获得感性的材料，是学生建立概念、规律等的重要手段

和方法，同时也为学生提供了使用仪器做出示范。

物理演示实验，按其在教学中的作用的不同，又可以分为以下几类：

1.引入性演示实验

在新的课程的开展之前，在教学的设计上需要引起学生对所要研究的物理问题注意，激发学

生的学习兴趣和求知的欲望。往往安排一些引入性的物理实验。这类物理实验需要直接的使

研究的问题暴露出来并引起学生的注意。在教学的要求上，它可能不需要对所研究的问题进

行即时的解释。而是提供给学生学习的客观的物理场景。具有一定的目定性和引导性。

表面张力实验[2]

取干净的盘子，装入清水。剪一段浸透油(机油或猪油)的棉线，晾干之后放在水面上。用

粘有肥皂的细杆触及棉线旁边的水面。棉线会迅速离开。

该实验是在讲述液体的表面张力而设计的一个演示实验。在使用时，还可以用培养皿放在投

影仪上进行放大观察。

2.建立概念、规律性演示实验

在物理概念形成和物理规律建立过程中，物理实验通过对物理研究对象的层次分明的演示，

使研究对象所表现的物理现象突出。在教学中，把物理概念和物理规律所包含的大量的物理

事实通过筛选并用实验的手段展示给学生，可以促使学生物理概念形成和物理规律形成。

杠杆实验

(a)

(b)

图4

杠杆的作用的规律包含以下几点：杠杆的作用效果和力的作用点有关，力臂的距离。为使学

生理解这些知识点，可以安排以下实验。

实验1:阻力矩一定，动力臂不同，动力也不同

如图4-a所示。水平的杠杆，祛码的质量一定，作用点一定。动力的作用方向垂直向下，移

动动力作用点。用该实验研究不同距离时的力的大小和力臂之间关系。

实验2：力臂是作用点到支点的垂直距离。

如图4-b所示，在杆不保持在水平的状态下，研究力的作用点不同时，杠杆满足的规律。

通过实验来建立物理的概念、规律等，必须研究概念、规律所包含的知识点，针对这些知识

点分别设计实验来研究。在上面的杠杆的实验中，杠杆满足的规律包含有这样的知识点：支

点的选择，动力或阻力产生的作用效果与动力、阻力、动力臂、阻力臂有关。在教学中必须

注意分析。

3.深化、巩固性演示实验

为了加深学生对物理知识的理解、强化和记忆。在讲完新的课程之后，可以在原有实验的基

础上对物理实验进行扩展、推广和补充，如部分演示的实验，这类实验称为深化、巩固性演

不实验。

4.应用性演示实验

把生活中实际的物理现象在课堂上演示，使学生运用所学的物理知识解释实验现象，锻炼学

生理论联系实际的能力。

三.学生实验

学生实验是学生在教师的指导下独立的操作的课堂教学过程。学生实验的教学目的是使学生

了解实验的原理知识；培养学生实验技能和培养学生的实验能力。学生实验依据不同的分类

方式可以分为以下几种：

1.按照实验活动的方式和时间的不同可以分为：学生分组实验；随堂实验；课外实验。

2.按照实验的目的物理实验可以划分为：测定性实验；验证性实验；研究性实验；应用性

实验。

学生实验在现代的教学中占的比重越来越大，在教学中，要针对不同的形式进行各种形式进

行这方面的研究。在学生实验和其它形式的实验中，要涉及其它各种形式的实验的分类，以

下我们对几种特殊的实验分类进行说明。

1.实验室实验和自然实验

实验室实验是指在实验室内，通过实验仪器和实验仪器、设备等的控制，人为的改变实验研

究对象的状态和条件。实验室实验一般具有明确的目的性和计划性。实验的操作和控制一般

要求比较严格。

自然实验是使研究的对象处于自然环境或自然状态下实验进行考察。自然实验往往使许多实

验条件难以控制，给实验的研究带来困难。在实际的科学研究中，实验室实验占有重要的地

位。实验室实验在本质上是对自然现象在一定条件下的再现，客观上，实验室实验把人类的

认识活动和客观的物理世界连下在一起，它是人类认识自然的依靠和纽带。物理实验的这种

关系如图5所示。

相互联系'互为补充

整体

有序

感知活动

物理实验

个性品质

客观世界

理性思维

观察、测量、模拟

构想、设计、分析

反馈

图5

2.研究性实验和验证性实验

探索性实验是物理教学中经常用的物理实验。它是在研究物理对象具有的物理性质、特征、

规律等的教学中，针对教学问题所涉及的知识环节设计不同的实验逐步进行研究和探索过程

设计的一个或多个实验。用于教学中的探索性实验具有很强的针对性，它所探索的问题是根

据教学的需要而设计。

验证性实验是在给定•定物理理论或结果的情况下，根据一定实验理论设计相应的物理实验

来检验物理理论或假说、假设等。验证性实验把实验研究的对象引向深入的发展。是对物理

研究对象的具有的性质作进一步诠释。

3.定性实验和定量实验

定性实验或定量实验的划分是从实验研究的“质和量''的角度进行划分的。定性实验主要用于

判断研究对象具有的性质等，它是定量实验研究的基础。定性实验在方向上保证了定量研究

的方向。定性实验在教学中是常用的一类物理实验。

定量实验为了从量的角度研究物理研究对象具有的性质以及变量之间的数量关系而设计的

物理实验。其中，测量是物理定量实验研究的基本手段和方法。定量实验是定性实验所不能

替代的，它能够通过测量准确判断研究对象具有的某种性质及其各要素之间具有的数量关

系。在物理教学中，要注意定量实验的教学，加强量化意识的培养。

4.析因实验

析因实验是指针对物理现象或者物理运动的变化来寻找其原因而进行的，这种实验称为析因

实验。它的特点是结果己经知道，而造成这种结果的各种因素或者物理规律是未知的。通过

析因实验探索，研究物理现象或物理结果中蕴涵的未知因素及其满足的规律往往会导致科学

上的重大发现或者新的物理理论的诞生。如伽利略通过对教堂等的摆动过程中摆动时间的等

时，导致对单摆问题的研究。

5.对照实验

对照实验是指通过对照或比较来研究和揭示研究对象具有某种性质等的实验方法。它主要是

根据一组或几组的相似实验组的对比，来推理其它相似情况下的实验具有的特征。通过对照

实验来分析其它实验对象具有的特征往往具有一定的局限性。在推广的过程和一定要挖掘实

验性质满足的条件。

以上是几种主要的物理实验的分类。在实际的教学中，由于考察角度不同，对物理实验分类

也不会完全相同。在教学中，注意研究不同类型物理实验在教学中功能的差异。这也是实验

分类研究的意义所在。

[1]阎金铎，中学物理教材教法，北京师范大学出版社，1998.6p62

[2]续佩君等，国外中学实验——物理，首都师范大学出版社，1999.4p235

第二章物理实验原理

物理实验教学研究包括实验和教学两个层面的研究。其研究方法可以分为三个相互联系的部

分：物理实验的研究法，物理实验的设计法，物理实验的教学法。实验包括两个部分：即显

性部分和隐性部分。实验的显性部分指实验的仪器、设备、材料、实验的步骤、实验方法、

实验现象、实验结果等可见的部分；实验的隐性部分指实验的目的、实验原理等抽象的、不

可见的部分。实验的原理研究是实验研究的基础，它也是进一步分析实验器材.、仪器等的基

础，关系到实验研究的进一步深化。在本章节中，主要对物理实验的原理进行研究。

§1物理实验原理概述

图1

物理实验是中学物理教学的基础。物理教学的实验可以分为演示实验、学生实验、随堂实验、

课外实验。对于不同形式的实验教学来讲，实验的分析方法有着共同之处。这就是对物理实

验的原理分析。

物理实验原理分析的重要性

在实验研究的分析中，实验的原理分析是实验研究的基础。因而，物理教学的有效展开是离

不开中学物理实验的研究。以下我们来分析物理实验的原理分析在物理实验教学中的重要

性。

单摆模型教学分析

单摆是中学物理教学中经常用到的物理实验，主要用于课堂演示和学生实验。一般认为，该

实验成立的条件是在摆角为5。。以下我们分析单摆成立的一般条件。

如图1所示，单摆的振幅为曲，悬线的长度为1,摆球的质量为m,忽略悬线的质量和空气

浮力和阻力的影响，并将摆球视为质点，则单摆的运动的微分方程为

............(1)

该方程的解为

其中，为单摆摆动的幅角。取一级近似，可以得到周期的近似解为

即我们通常用的单摆的周期的公式只是单摆周期公式的•级近似解。由一级近似解得的重力

加速度为

①一级近似下的单摆误差的测量的计算[1]

用该公式测重力就加速度的相对误差为

因为(为摆长，d为直径)，则

O

在高中的实验课本中，摆线长约为1m左右，用刻度尺测量，所以，当，而刻度尺的准确

度一般为分度值的2倍，因此，。小球的直径可以用游标卡尺测量得到，由于游标卡尺的

准确度一般为分度值的0.5倍，因此，因而，。所以可以得到

单摆振动的周期一般用秒表测量，秒表的准确度为01s,共测量50个周期，，而对于的

单摆T=2s,所以

在计算中，由于兀为无理数，当取兀=3.14时，，所以可以得到

这是在一级近似下得到的误差的计算结果。

②二级近似下的误差的计算

在考虑一级近似的情况下，单摆的周期与无关，而实际上，单摆的摆动与有关系，现在取

单摆周期公式精确解的二级近似解为

则由该该公式得到的重力加速度的计算公式为

由该式可以看出，重力加速度g为1、心T、的函数，计为，因而I可以得到重力加速度

的相对误差为

计算可以得到

由该式可以看出为一级近似下的误差，为误差传递系数，该函数是的单调递增函数。

不同的情况下，对重力加速度的计算结果及其引起的误差见下表

,度)g（米/秒2）g-go（米/秒2）

29.86110.00150.015

59.86900.00940.038

79.87800.01840.053

109.89700.03740.076

129.91350.05390.090

159.94340.08380.112

(其中取T=2s,l=lm,7t=3.14),为一■级近似下的误差，为二级近似下的误差。

从该表中可以看出，在二级近似的情况下，当时，幅角引起的误差与1、兀、T引起的总误

差0.5%不在同一数量级上，可以忽略；当时，幅角引起的误差与1、兀、T引起的总误差

在同一数量级上，不能忽略。因而，在中学物理教学中，单摆成立的条件并不是限制在5°

以内，单摆模型在考虑到二级近似的情况下，可以控制在10。以内。这是我们在中学物理

教学中必须注意的一点。

以上，我们通过对单摆物理实验的原理分析，得到了该实验操作的范围，也得到了物理实验

的操作条件,通过对物理实验的原理分析得到物理实验的操作条件,在物理实验中经常遇到。

静电感应实验⑵

(a)

如图2所示，为静电感应试验的装置。将带电导体E靠近两个绝缘不带电的枕形导体。而后，

把枕形导体分开，由静电感应现象可以知道,枕形导体A和B分别感应出了等量的正负电荷。

为了证明电量的量是相等的，设计一下实验。

(b)(c)

图2

先将枕形导体中的任何一个与验电器接触，则验电器带电后指针张开；然后将另一枕形导体

与验电器相接触，这时，验电器上的电荷和枕形导体上的电荷发生中和，静电器的张角为零。

改实验和实验现象在某种程度上是相符合的。以下我们分析这种情况下的问题所在。

对于枕形导体和进电机验电器而言，它们本身就存在电容效应。为分析的方便，设枕形导体

的电容为，验电器的电容为。假设用静电感应的方法使枕形导体带电量为Q(Q为绝对值)，

则有

（1）

在枕形导体A和验电器接触后，考虑到二者的电容效应，其电路图如图所示。则验电器上

分得的电荷为

(2)

验电器和枕形导体A对地的电位差为

(3)

把(1)式带入(3)式，可以得到

(4)

将枕形导体和验电器接触时，枕形导体上的电荷和验电器上的电荷相中和，而后剩余电荷在

两个电容体系上重新分布。在改种情况下，验电器上分得的电荷为

(5)

验电器对地的电势为

由上式可以得到以下结论，由于电容效应的存在使得两次中和的过程中，验电器上的电荷并

没有被完全中和掉，尽管在有的情况下，验电器的指针没有显示这样的结果，但从教学的角

度来讲，其所基于建立的理论依据是有问题的，如果电压比较高的情况卜一，验电器完全可以

显示这一结果，即两次接触后，验电器仍有一定的夹角。可以看出，这个实验设计的方案本

身就存在问题，违背了科学性的原则。

因而，对该实验可以作采用如下的方法：

使两只半枕形导体感应带电后分离，用其中一只和静电计接触，可以看到进电机的指针的有

一个张角，此时，半枕形导体不要离开静电计。而后，使另外一个半枕形导体与前••只半枕

形导体接触，这时，验电器的指针将完全闭合。

通过以上分析，我们可以看出，物理实验的原理研究是物理实验成功的可靠保证，是物理实

验教学研究的一个重要方面，必须在教学中引起重视。

物理学实验原理的作用

在物理实验教学中，实验材料、实验的操作步骤以及操作方法等直接影响着实验的现象和实

验的结果。但是实验的材料、仪器的选择，实验的操作步骤及其方法是在研究实验原理的基

础上，进行设计和选择。实验原理在实验的研究中起到重要的作用，主要表现在以下几点。

1.理解实验的过程

实验原理是实验方法、实验手段、操作过程以及实验结果分析等所依据的科学理论。实验的

过程是以实验的原理来贯串的，因而，对实验原理来分析，可以更好的理解实验的过程，使

实验过程的分析有了理论的依据。对实验的原理分析，可以是定性的也可以是定量的。无论

是定性分析还是定量分析都为理解整个实验过程提供了依据。

2.促进实验的设计

在物理实验设计中，必须研究实验的原理和实验教学的环节的教学要求，实验原理的研究是

实验设计的基础。在原理分析基础上，选择实验材料，决定实验步骤，改进实验等，才能有

效进行实验设计。

3.预测物理实验结果

对实验的结果进行预期的估测，才能更好的实现控制，更好的促进教学。实验原理可以从定

性或者定量的角度对实验的结果进行预期的估测。在实验继续的过程中如果出现实验原理的

预期，则说明实验的原理的正确性，反之，就要研究实验过程中出现的问题，或者根据实验

教学的要求对实验进行各种形式的改造，因而，从实验的原理的角度对实验预期是实验进一

步研究的基础。

4.促进实验知识的迁移

实验的原理是实验所遵循的科学道理，对实验的原理进行研究，可以把实验的设计思想、实

验的方法、实验仪器、器材的知识应用到其它的实验中去，促进实验知识的迁移。

三.物理实验原理的涵义

物理实验从理论到实施的过程是•个研究实验基本原理以及实验中涉及的实验器材、仪器等

的原理的过程，在这个过程中，实验的原理的研究一般包含三个方面，即实验的一般实验原

理，实验的器材、仪器原理，以及以上原理结合在一起对原有实验原理的修正等。在实验研

究中，实验的原理的研究主要针对以下三个层面进行分析。

1.物理实验一般原理研究

物理实验的一般原理是指在不考虑实验器材、仪器构造原理、仪器或材料性能的基础上，对

实验条件等其它方面进行纯化基础上，对实验进行理论性研究，是实验原理和实验设计的•

个基本方面，也是实验研究的一个方面，但它并不保证实验的成功，只是实验的研究的基础。

图3

浮沉子实验

如图3所示是浮沉子实验装置。把一个小的容器灌入一定的液体并倒置放置在一盛有水并且

上端空的容器中，用橡皮膜把容器密封住。用手按压橡皮膜，可以观察到浮沉子上下浮动。

实验原理分析：浮沉子在液体内部悬浮时满足以下关系：

其中mg为浮沉子的重力，v为浮沉子排开液体的体积。

当手指按橡皮膜时，压力增加，浮沉子排开液体的体积减少，浮力减小，浮沉子将下降；当

手指松开时，压力减小，浮沉子排开的体积增加，浮力增大，浮沉子上升。

以上仅仅是实验一般性原理的分析。并不包含对实验满足的条件等的分析。事实上对该实验

的原理的一般性分析并不能保证该实验的完全成功。在很多的情况下，浮沉子会出现不能下

沉或不能上浮的情况，使实验的效果失败。对该实验来讲，初始时:浮沉子排开的体积和浮

沉子本身的长度等条件都影响到该实验的成功。

2.物理实验器材、材料、实验仪器构造原理研究

物理实验的一般性原理分析只是在考虑实验的一般性理论基础上，建立实验的一般性理论基

础。它往往忽略实验的可行性。实验的实验器材、仪器是实验成功的重要方面，它是在考虑

实验的具体实施的过程中的实验性能、指标的基础上对实验的具体的实施的一个设计，是实

验原理研究的进一步深化。它是实验的一般性原理从理论向实际的转化，也是实验原理研究

进一步深化。

3.物理实验原理结合性分析

单是研究一般的实验原理和实验的器材、仪器的原理并不能完全保证实验成功。因为，在教

学中的物理实验必须同时满足实验教学需要，即实验的原理研究还必须考虑实验的教学的要

求，即实验的原理必须根据实验教学的需要对一般性实验原理利实验的器材、仪器的原理进

行适当取舍，使之更加适合教学要求。

在以上的三个层面分析中，是实验原理分析的一个重要的方面。是实验研究的重要方面，在

分析中必须分别对待，同时，也要分析它们之间在相互联系时功能变化。由以上的分析不能

看出，实验原理是实验方法、实验手段、实验操作过程以及实验结果分析等依据的科学理论。

四.物理实验原理的性质

物理实验原理的性质主要表现为三个方血:实验原理的科学性和可行性;实验原理的抽象性;

实验原理的控制性。

1.实验原理的科学性和可行性

科学性和可行性是实验具有的重要性质，是实验赖以实施的保证。科学性与可行性分析在物

理实验教学研究中也就显得十分重要。科学性是指物理实验基于的实验原理必须真确无误，

没有科学性的错误;可行性是指由于学生的认识水平以及自身的条件等的原因，实验的设计、

应用等是否合理。在实际的教学中，科学性和可行性主要考察以下几个方面的问题。

(1)物理原理要正确、确切。

图4

大气压存在的演示实验

如图4,将窄长木条放在桌面上，桌外伸出•部分，在桌面的木条上盖一张报纸，并摆平。

用锤子迅速锤击伸出端。报纸没有被挑到空中，而是将木条伸出端折断。该实验是用来分析

大气压存在的实验。事实上，即使大气压不存在，只要打击足够迅速，也可以使木条折断。

因而，在实验设计上原理不确切。

（2）设计的实验是否符合教育心理学原理，能否用于教学过程，达到教学目的，对此,

主要表现为三个方面。

a.实验（及其教学程序）是否符合学生的认知规律，心理特点；

b.实验的基本内容学生能否接受理解；

c.实验（及其教学程序）是否有利于指导观察，启发思维。

（3）从仪器制作，器材选择，实验条件和操作等方面看实验能否成功，稳定性、重复性、

安全性可好。

（4）实验方法的运用，设计中技术问题的处理是否科学、合理、经济。

图6

图5

充磁实验

对磁铁充磁方案有多种，如半波整流式（图5）和电容充磁（图6）。

图7

在制作上，半波整流式和电容充磁两种方案比较麻烦。同时，现行的“充磁机”充磁时间较

长，成本也较高。

图7是一种低廉的快速充磁的实验设计方案。把充磁线圈与保险丝相接。实验时,把线圈直

接接到220V的交流电源上，保险丝熔断，可以实现磁铁的瞬间充磁。这种实验方案要求的

实验器材低廉，制作简单。

2.物理实验原理科学性和可行性判定

科学性与可行性分析在物理实验教学研究中也就显得十分重要。在教学中，必须注意从多个

角度分析物理实验的原理，即物理实验原理分析方法。物理实验的原理科学性和可行性分析

方法主要包含以下几个方面：

(1)物理实验的理论判定

物理实验的理论判定主要指物理实验设计的原理是否与所要验证的理论相符。即物理实验教

学中的实验设计所反映的物理现象必须正确说明物理概念、规律等。

图8

光电效应实验

如图8所示，为光电效应演示实验装置。1为静电计，2为锌板，3为电弧。

该实验的原理是：电弧照射锌板时，由于锌板被打出电子而大正电。因此相连的静电计带正

电使静电计的指针发生偏转。但是，该实验的实验现象不明显，为了扩大实验的演示效果，

有人做了以下改进：

图9

先给锌板带负电，使指针偏转-一个角度。再用电弧进行照射会变小，实验的现象可以得到观

察。

用改进的实验方案来说明光电效应存在问题：在电弧作用下，空气电离出来的粒子向锌板发

生迁移，中和掉部分负电，同样会使静电计指针变小。因而，静电计指针发生变小的现象是

两种实验现象的综合结果。因而，该实验不足以说明光电效应。

(2)物理实验的逻辑判定

实验的逻辑性是指实验教学的设计环节不能前后矛盾，在设计的逻辑环节上不要出错。

图10

单摆实验

如图9所示，在单摆的F方放置一块磁铁。单摆在摆动中的周期与没有放置单摆时相比将发

生变化。

该实验设计的目的是用来说明单摆的振动周期与加速度有关。该观点认为，在单摆的下方放

置一个磁铁相当于重力场发生了变化。因而，可以证明周期与重力场有关

我们在讲解“等效场”的观念时，是在讲解了单摆知识之后，在复合场中的单摆的周期的公式

的计算是利用单摆周期的公式进行迁移进行讲解的。如图9所示，在摆球上加上电荷，放到

电场中，根据等效场观念和单摆的周期公式可以得到在复合场中的周期公式为

在图9的实验中，实验的设计思想是利用，来反推，而是由得来，处于逻辑的相互证明

之中，属于自身对自己的证明，在逻辑上出现逻辑性的错误。同时，在讲解知识点时，等

效场观念尚未学到。

由以上分析可以看到，在单摆下方加磁铁的实验在逻辑环节上出现错误。

(3)教学程序判定

实验教学程序的正确性是指实验在其程序的安排上，具有一定的顺序性，教学设计的程序要

与教育规律、心理学规律相符，不能发生错误。

竹筷提米实验

图11

如图11所示，玻璃杯中倒满大米，将大米压紧，并插上一根筷子，可以拿住筷子把杯子提

起。

这是验证摩擦力的一个实验，但是，对于该实验来讲，其知识点涉及到静磨擦和滑动磨擦的

问题，而在初中还没有涉及该方面的内容，因而，在初中用于演示摩擦力的问题，不符合认

识的规律。

所要补充的是，在实验中，由于实验的复杂性，实验条件控制、实验手段的采用不可能完全

提供实验原理所规定的理想化的条件，实验的结果和预期的结果并不•定完全一致，该种情

况下，并不是实验原理发生错误，而需要对实验的原理进行修正。

3.物理实验原理的抽象性

物理实验原理的抽象性主要在于物理实验的研究是理论性的。它只是为实验材料的选择、实

验步骤制定等实验的全部过程提供理论依据。并不能保证实验的完全成功。

4.物理实验原理的控制性

物理实验的可控性是指实验的原理在一定范围内决定着实验材料的选择，决定着实验装置的

设计，决定着实验条件的选择和处理等其它方面。实验原理的可控性并不排除在一定条件下

材料之间的替换、实验仪器的代用等。

五.物理实验原理的类型

1.

图12

学科知识

物理实验的原理依据的知识包括力学、电学、光学等物理学知识。同时物理实验所用到的知

识还包括其它学科的知识，化学知识，数学知识等都在物理实验中有着广泛应用。如图12

所示的伏打电池实验，硫酸铜溶液的配制就需要用到电化学的知识。如果溶液配置的浓度比

较大，铜粒子很快会在电极上析出，影响到溶液的导电性。如果溶液太低也会影响到溶液的

导电性；以上两种情况就需要应用化学知识进行分析。

2.控制原理

物理实验中的控制分为两类：一类是排除外界对研究对象的干扰，就是在实验的过程中，去

掉或隔离某种条件或儿种条件的影响；另--类是对研究对象进行干扰，就是在对研究施加某

种影响，打破研究对象的原始状态，进而研究对象具有的性质。

§4物理实验原理分析基本方法

图12

图5

在对于实验的研究上，物理实验的分析方法也不会完全相同，其中部分原因是教学的性质、

任务和教学效果等决定的。如频闪照相实验，在用于课堂演示时，只是需要进行定性的分析

就能满足教学的要求，并能达到对实验原理的解释；而要对有关的量进行测量和对测量数据

进行研究时，就需要对实验进行定量的研究。因而，对实验的原理分析，也包含有各种研究

的方法，以下对物理实验的原理分析方法进行阐述。

1.物理实验原理的定性分析

物理实验的定性分析是指对物理实验研究的对象、性质、属性、特征等的非量的研究。在众

多的物理实验中，定性的描述或解释具有重要的意义。

蜡烛燃烧实验

如图12,粗细相同，高矮不同的两根蜡烛。点燃后放在容器中，问哪一根蜡烛先熄灭？

该实验的原理是：蜡烛燃烧后，产生二氧化碳，二氧化碳受热上升，在瓶子的上部集聚，因

而，高的蜡烛先熄灭。该实验只要求对实验现象进行解释和说明，对实验的原理的量的角度

解释则不做要求。

弹性形变实验

图13

如图13所示实验方案，铁杆与墙壁相连，在铁杆的下方放置一个圆柱，圆柱的上方固定一

个平面镜。激光经过平面镜反射后在旁边的标尺上形成一个光点。

实验时，对墙壁进行用力，可以观察激光形成的光点发生移动。该实验可以定性的解释墙壁

的弹性形变。

对该类实验只要通过一般的实验原理的定性的分析就可以满足实验的教学要求。

2.物理实验原理的定量分析

对于物理实验研究来讲，它不仅要求对物理实验中的物理实验现象进行定性的解释，对于许

多教学中的实验，它还要求进行定量的解释。在物理实验教学研究中，对物理实验的定量分

析包含两个方面，即对物理实验现象的定量的解释以及和物理实验建立的各种条件予以量的

解释和以使实验可重复性更强，使实验的教学效果得到优化。

(1)

图14

物理实验现象的定量解释

烛焰偏转的实验

将一根蜡烛放在以角速度3旋转的圆盘上，点燃后用玻璃容器罩住。并且使容器的中心和

圆盘的中心重合,如图14»

实验时会发现烛焰的方向会偏向中心轴的方向。圆盘的旋转使玻璃杯内的密闭空气密度发生

了变化，烛焰周围的空气由于密度不均匀产生压强差使蜡烛的火焰方向发生了变化。

该实验的分析解释如下：

在同样高度的距离，中心轴r处的空气密度可以麦克思维分布法则求得：

上式中是距离中心轴R处的空气密度，即玻璃罩内壁处的空气密度。E为质量为m的空气

分子在R处的动能，K为玻尔兹曼常数，T为气体的温度。因为

其中，3为圆盘旋转时的角速度。由此可以得到

(1)

由(1)式可以看出，随T的增大而增大，r=R时，有最大值。

因为

可以得到

(2)

其中，m为气体的质量，M为原子量。

由(2)式可以看出，气体压强在温度一定时与它的密度成正比。由于旋转系统中空气的密

度在外部的大于气体的内部，所以压强也是内小外大，从而导致蜡烛的烛焰偏向中心处。

在上面只是分析了空气密度在水平方向的变化，根据上面的分析，可以得到竖直方向上的密

度的变化。

由麦克思维分布可以得到

其中为盘底部的空气密度，h为距圆盘底部的高度。由该式可以看出，空气密度随h的增

加减小，从而是压强上小下大。

若要使蜡烛的烛焰在旋转过程中与竖直方向成45。，则有以下关系

即

(3)

作近似处理=,(3)式可以简化为

(4)

对于r=R处的烛焰而言，(4)式可以进一步简化为，则在R=0.1米处，角速度的近似值

为10rad/So在实验时，角速度的控制可以参照这个值进行选取。因而，这样就可以根据需

要对实验现象进行控制，使教学的效果达到最佳。

至此，我们己经从一般的理论分析得到了烛焰的倾斜角度与角速度之间的控制的关系

(2)物理实验建立条件的定量分析

物理实验所涉及到的实验现象总是在一定的条件下成立的，而实验原理建立在各种具体的条

件之上，因而，对实验赖以成功的各种条件要进行说明。

演示平行板电容器电容与两极板间距关系实验[3]

如图15所示，这个实验是用来让学生定性解释平行板电容器电容随极板间距d变化规律的

实验，但是，这个实验在操作中需满足多种要求才能演示成功。

图15

对这个实验进行研究，可按以下步骤进行：

(1)实验的原理：

由公式C=Q/U及C=£s/4”kd,可以有以下结论：

C增加—U增加-Q增加

同时由公式C=£s/4nkd,可以得到：

△C=-(£s/4jikd2)Ad

因而可以得到结论：

△C不仅取决于还取决于初始距离d»o

至此，从原理角度分析，我们可以得到实验操作要求：

静电计指针的变化要尽量大，即尽量大，要求电容C变化比较大。因而，要求使△(!有

一个尽可能大的值；同时d。选的值要小。

(2)实验装置分析

对于该实验，导线之间存在连接电容。静电计也有一定电容，因而，在平行板电容器拉开的

过程中，平行板电容器上的电荷会发生变化。

表1为实际测量的平行板电容器电容与系统实际电容的对比。

d(cm)C板(pf)C系(pf)

0.526.232.2

1.016.422.6

2.010.516.5

5.05.911.9

10.03.79.7

15.02.98.9

20.02.68.6

由以上的数据可以得到：

在dNlOcm之后，系统电容变化微小。

对于该实验，静电计的性能是影响该实验成功的另一要素，根据一般的静电计性能指标的研

究。静电计的指针0的变化与电压U之间成非线性变化。在。为15。左右时，外在微小电压

变化都会使0有较大的变化。

（3）实验控制条件

基于以上的分析，可以得到该实验的控制条件：

①实验前，用移动电荷法把0预置在15。左右；

②平行板初始距离d。选择在0.5cm左右；

③平行板拉开的距离△dROcm。

3.模型分析

图16

对于物理实验的一般性原理进行分析是比较简单的。但是，在多数的情况下，物理实验的原

理是在未考虑各种干扰情况下的理想解释，而实际的实验过程的进行总是在现实的场合中进

行，就需要综合考察实验各个要素基础上，建立解释物理实验现象的模型。

振动实验[4]

如图16所示，在U形管中加入一定的水，达到平衡，设此时的位置为虚线所示的位置。现

在向管中吹气，然后松口，管内的液体会发生振动。以下我们建立分析该问题的物理模型。

设管中的水柱总长为L,横截面为s,水的质量为

当管中的两侧水柱液面离开平衡位置为y时，水柱的回复力为

则每一部分的水的加速度为

由此可以得到

（1）

则（1）式可以得到

则该方程的解为

它的圆频率为，即振动的周期为

这是在理想的情况下，得到的结果，而实际上是，由于阻力的存在，将使水作阻尼振动，并

且振动的周期比理论的值要大。

通过以上的分析，我们得出了关于液体的振动的模型，对于实际的物理实验的进行具有较好

的指导意义。

图17

此外，对于物理实验原理的做进一步的分析，还包含各种具体的方法。这些方法的选择将涉

及到物理实验研究中物理实验建立的各种条件的以及实验的研究的各种需要。这些具体的方

法的选择，将在以后的各章节中具体涉及到。

静电绝缘

在静电实验中，一般要进行绝缘处理，以下，我们分析静电绝缘的原理。

如图17所示为一个导体球，其电容为C,带的电量为Q。，绝缘支柱的电阻为R。可以得到

通过绝缘导体的支柱的放电的微分方程：

(1)

解微分方程可以得到

(2)

导体球的电压随时间的变化规律为

..(3)

由该方程可以看到，采用的材料不同(即R不同)，对静电实验的影响是不同。至此，我们

己经建立了解释静电绝缘问题的理论模型。采用何种材料为绝缘材料比较好，可以在实际中

根据实际的需要进行不同的处理。

[1]陶洪，物理实验论，广西教育出版社，1996.12pl63〜164

⑵陶洪，物理实验论，广西教育出版社，1996.12p40〜43

[3]陶洪,物理实验论，广西教育出版社，1996.12p35〜39

[4]方鸿辉，刘贵兴，创造性物理实验，上海科学普及出版社，1999.2.p61-62

第三章物理实验条件控制和物理实验

实施

物理实验的条件和物理实验的实施是实验教学研究中两个重要的方面，实验条件是实验进行

的基础，必须研究实验过程中实验研究对象满足的实验条件，并对实验条件进行控制，才能

保证实验的成功。实验的控制是指通过对实验条件的限制、实验条件的改变等获得实验条件

的科学方法。实验的实施是实验条件和实验控制的具体的实行。

§1物理实验条件和物理实验操作的科学性

图1

物理实验的条件涉及各个方面，它包含物理对象的条件、物理实验的环境条件、物理仪器、

器材的条件、物理操作条件等，而这些条件的科学性将直接关系到物理实验的成功。在前

文中我们讨论了实验原理的科学性的问题，然而，实验原理的科学性并不能完全保证实验的

成功，实验条件和操作的科学性也决定着实验的成功。

物理实验条件和操作的科学性

物理实验条件和操作的科学性是指实验的条件的控制适合实验原理的要求，实验的操作规

范，同时在条件的设计以及操作的步骤设计上没有科学性错误。

验电器验证电荷实验

用验电器验证未知物体的所带的电荷在中学中有着广泛的应用。若验电器的电荷已知的情况

下，可以使带电体靠近验电器，根据金箔的箔片的张开和闭合的情况进行电荷的判定。如图

1所示。对于该实验我们来分析一下其中的问题。

假设验电器带的电荷己知（正电荷或负电荷）。若带电体的电荷与验电器的电荷相同的话，

则当带电体接近验电器的情况卜，由于静电感应，验电器的平板的一端感应出与带电体相反

的电荷，同时等量的与带电体电荷相同的电荷转移到箔片上，使夹角增大。

若带电体的电荷与验电器的电荷相反的情况下，一般的认为，在带电体靠近验电器的过程中，

由于静电感应，箔片夹角会减小。实际上，它的实验现象不止一种。

当验电器的电荷足够大时，由于验电器的电荷的感应作用，在验电器的感应端会感应出相同

的电荷，同时与感应端相反的电荷向箔片一端转移并和原来的电荷中和，使箔片一端的电荷

减少，促使夹角变小。

若带电体的电量很大，并且迅速靠近验电器，则箔片在很短的时间内感应出与带电体相同的

大量电荷，并中和掉原来的在箔片上的电荷后，使箔片带上与感应带电体相同的电荷，从而

使箔片的张角张开，并且比原先的还要大。

若缓慢靠近验电器，则感应的电荷先和箔片上的电荷中和，这时可以观察到验电器的箔片闭

合，而后，感应的电荷又向验电器的箔片转移，使箔片的夹角增大。整个过程是验电器的箔

片的夹角先变小后变大。

可见，由于操作条件控制的不同，将影响到实验的结果，仅仅根据一般的实验原理进行一般

性的理论判断对于实验的研究并不是科学的。在实验中实验的条件和控制中，同样也要进行

科学性的判定。科学性要求实验的条件设置必须在理论上没有错误，同时符合教学要求。

二.物理实验条件和操作的可行性

物理实验条件和操作的可行性是指物理实验的条件的选取要考虑教学设施、教学仪器、装置

等是否满足；同时，实验的操作是否具有可行性，安排是否合乎规范、满足教学的规律以及

学生的学习规律等。如利用电容冲磁法为磁铁冲磁时，要求具有比较大的电容。从

图2

实验的条件上来讲，很大的电容是很难在工业条件下实现的，因而，用一般的电容实现该实

验有一定的难度。在实验室中，可以用两个大小不一样的金属饮料瓶套在一起，固定在一个

木块或其它绝缘体上，并在从两个瓶子中引出两个导线就可以做出一个比较大的电容。如图

2所示。这样，我们就把很难实现的实验条件解决了。在中学的许多物理实验中，一些常规

的或其它的器材、仪器等都可以通过代换的方法进行解决，使实验具有可行性。在实验中，

可行性是必须考虑的一个方面。

§2物理实验条件