物理实验设计思想方法研究

第30卷第0200年0

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Vol30NoOc(江苏省南京市金陵中学的思想方法.作为教师,首先应该加强这方面的研究.本文结合物理实验,谈谈如何利用穆勒五法JSMill1806～1873,英国著名的逻辑学家、哲学家,他总结了判断因果关系的五

图1、图2所示的两个小实验对小球施加某种微小扰动,使其离开平衡位置,则在重力的作用下,小球会自动回到平衡位置种归纳方法)中的“契合法”、“差异法”、“共变法”.

平衡称做稳定平衡

图 图一、“契合法同的物理现象而在所研究的这几次实验中,只有一种因素是共同的,其余因素均不相同.那么,这个共同的因素与所研究的物理现象之间存在因果关系.若以A、B、C、D、E、F、G分别表示不同的因素,a是我们所要研究的现象,“契合法”可以用下面表1表示.表次 因 现

两个实验的共同之处——物体重心处于最低位置(即重力势能处于极小值)条件.显然,这里是运用契合法确定了正确的二、“差异法如果所研究的现象出现的场合与不出现的场合之间只有一个因素不同,即在一个场合中有某种因素的作用,而在另一个场合中没有这种因素的作用,那么,这个因素与所研究的现象之间存在因果关系.差异法可用下面表2表示A、B、 表A、D、 A、F、 次 因 现从表1可以看出,A与a有因果关系 例如,我们可以通过实验来研究单摆在

A、B、 、B、们以不同的摆角摆动起来(摆角小于),我们发现,无论摆球质量、摆角大小如何不同,只要摆长相同,摆动的周期一定相同.根据“

”2Aa之间存在因果关系.例如,当我们研究沸腾现象产生的机理时,在大烧杯中放一盛水的小试管,用酒精灯加热大烧杯,

烧杯中水的温度和小试管中水的温度,如图3所示.在实验中可以观察到烧杯和试管中水100℃,但烧杯中的水会发··现象而试管中的水不会发生沸腾现象.用差异到100℃,各方面的条件都相同,唯一不同的是,热,而试管中的水则不能(试管内、外水温相同,不能发生热传导,因为温度差是热传导的前提).显然,吸热是沸腾与不沸腾的原因.

此会翻倒B筒在有底的情况下,筒底会受到另一大小相同、方向相反的力偶矩的作用,B筒是静止的而不会翻倒这个实验生动地证明了物体的平衡条件(推导过程略三、“共变法当某一现象()发生一定程度的变化时,另一现象也随之发生一定程度的变化,那么,这两个现象之间就存在因果关系.A1、A2、A3……(A的不同状态;a1a2a3是另一现象a的不同状态.共变法可以用表3表示如下.汽化热的道理 图 表4所示,两把外观完全相同的盛满水AB,倾斜后,A能倒出水来,

因 现A1、B、 A2、B、 A3、B、 B却倒不出,为什么A壶盖上有一小孔,B则没有.根据差异法可知,未开孔是倒不出水的原因.作进一步分析,还可以巩固大气压的知识.如图5所示,取两个外观相同的长圆柱形硬纸筒,其截面圆半径均为R,在其里面分别r的钢球rR,r大于R/2,用手扶住两纸筒,使其直立,将手撤去后,A筒翻倒,B筒却不翻倒.反复几次后,现象差异是翻倒与不翻倒的原因.A筒无底B筒有底显然,无底是翻倒的原因根

据理论计算可知,A筒在无底时,筒壁会受一对力偶的作用,2GRr因3中不难看出现象()A与现象a有因果关系.应用共变法时,只能有一个现象变化而另一现象随之变化,其它条件(因素)应保持不变(这也叫做单因素分析法).如果其它条件也在变化,应用共变法时往往会得出错误的结论.例如,对一定质量的理想气体,在提高温度的同时,增大压强,结果体积缩小.如果我们忽略增大压强的因素,而认为温度升高是体积缩小的原因,这就误用了共变法.因此,在研究一定质量的理想气体三个状态量之间的关系时,我们往往控制一个量不变,去研究另外两个量变化间的因果·

关系.如保持温度T不变,V随压强p(玻意耳定律mT也发生变化,则无法正确地得出pV之间的因果关系.为此,实验要采取一定的措施,