物理实验研究的一般方法(2)

1、物理实验研究的一般方法,一、物理实验与物理学的发展 1.物理实验与古代物理学（1600年以前）的发展 在我国： (1)计时工具的使用。早在尧舜时代，就用“圭表”来观象授时，后来又使用“日晷”来测量时间，到春秋时期(公元前7世纪)普遍使用水滴滴漏的方法计时。 (2)浮力知识的应用。神童曹冲五六岁就提出“以舟量物”的思想，宋僧怀丙利用船只打捞万斤铁牛等。 (3)光学知识的应用与研究。西周时期有利用青铜阳隧起火的记载，西汉有利用冰透镜起火的记载，战国时期墨翟对平面镜、凸面镜和凹面镜的反射原理、性能、成像进行分析研究，宋代沈括研究油膜干涉色彩、衍射色彩、物体颜色及其透光之色、各种冷光，总结了冷光本质“

2、有火之用，无火之热”，特别是其研究凹面镜成像并记述了“离镜一二寸，光聚为一点，大如麻菽”。 (4)磁学的应用。战国时期人们制造了司南以辨别方向，尔后制造出“指南鱼”、“指南龟”，最终发展成了举世瞩目的指南针。秦始皇建筑阿房宫以磁石为门以吸引“隐甲怀刃者”，西晋骁将马隆“夹道累磁石”以吸引路过鲜卑敌军之枪械。宋代沈括还发现了地磁偏角，这比哥伦布横渡大西洋时观测到地磁偏角要早400多年。 (5) 缕悬法的应用。沈括采用缕悬法支挂小磁针，这比库仑扭秤实验、卡文迪许扭秤实验等要早700年余年，该方法至今仍在使用。,在西方： 古希腊人泰勒斯在公元前600年左右，发现摩擦过的琥珀可以吸引轻小的干草叶，卢克

3、莱修(约公元前99-公元前55)在物的本性中对天然磁石吸铁现象作出解释。古希腊欧几里德（公元前约330-公元前275）的著作反射光学中明确地提出了光的直进性，比较深入地探讨了光的反射现象，并用几何学方法表达了光的反射定律，该书还论述了凹面镜焦点的概念。古希腊阿基米德（公元前287-公元前212）在浮体一书中给出浮力定律等。 这一时期，物理实验的特点是： (1)这些实验毕竟还是零星的； (2)定量的实验较少，而定性的实验较多； (3)大多数实验没有提升概括出理论，而多只限于现象的描述，或者只作 了一般的解释而没有形成系统的理论； (4)即使形成了一些理论，也没有用实验去检验它。,2.物理实验与经

4、典物理学（1600-1900年）的发展 伽利略(G.Galilei，15641642)创立的实验方法、理想实验方法、严格的逻辑与数学推理方法，开辟了科学方法的新道路，正如爱因斯坦所说“伽利略的发现，以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端”。自此物理学成为集哲学的概括性和抽象性、数学的严密性和逻辑性以及实验的实践性和操作性于一身的自然科学。 一批批杰出科学家，对物理学的发展做出了划时代的贡献。 伽利略设计了斜面实验和落体实验，发现了运动定律和自由落体规律； 库仑(C.Coulomb，1736-1806)设计了扭秤实验，得到了静电力的平方反比定律； 奥

5、斯特(H.C.Oersted，1777-1851)发现了电流的磁效应； 法拉第(M.Faraday，1791-1867)发现了电磁感应现象； 布朗(R.Brown，1773-1858)通过观察水中花粉颗粒的运动，发现布朗运动； 托马斯杨(T.Young，1773-1829)设计双缝干涉实验； 马吕斯( E.L.Malus，1775-1812 ) 发现反射时光的偏振，确定了偏振光强度变化的规律。,物理实验的特点： 把实验与数学结合起来，既注意逻辑推理，又依靠实验检验，构成了一套完整的科学研究方法。其程序大致为： 有意识地在实验中抛开一些次要因素，创造理想化的物理条件。既要力求使实验条件尽可能符合

6、数学要求，又要设法改变实验测量的条件，使之易于测量。 用实验去验证理论。 把实验与理论联系起来。,3.物理实验与现代物理学的发展 现代物理实验的特点： 实验与物理理论的结合越来越紧密，成为不可分割和相互依赖的结合体。物理实验更加需要理论（包括实验理论）的指导，在理论的预测和条件范围内进行，而不是盲目地瞎碰。 实验需要更先进的技术和仪器设备。 物理实验方法与其他学科的结合和向其他学科渗透，使得新的实验方法和技术更快地在应用领域得到推广使用。 当代前沿的物理实验越来越成为大规模的、集体的、综合的工程。 建立和利用空间实验室，充分利用太空高真空、无污染、失重等许多天然有利条件。,二、实验模型 实验模

7、型就是人们运用实验的方法研究物理问题和探讨物理事物的本质而对研究对象所作的一种简化的抽象，它撇开了实验中次要的、非本质的因素，化抽象为形象、化复杂为简单、使原本只能定性了解的实验问题，可用定量的办法来研究。 实验模型的作用有二： 一是能够说明有关现象。 二是合理的实验模型能够帮助人们深刻地理解现象，利用模型指出新的思考方向而预测未知现象，从而有效地研究更广泛的问题。,（一）建构实验模型 建构实验模型，是指个体通过建立表征外界事物的心智模型用来解释和预测观察到的事物和现象，在与证据进行交互作用以后，建立符合物理世界的实验模型和理论的过程。实验模型与建构实验模型是科学探究中的重要内容。如何开展实验

8、建模教学，已经成为科学教育研究中新的重要课题。 1.根据知识结构建立实验模型 物理实验是物理教学的基础，也是建立物理知识结构的基础。不同的物理内容和知识结构，必有其相应的实验模型。根据物理知识结构建立实验模型，有利于我们抓住实验中所要解决的关键问题，也能反应建构者的认知模式和思维水平。,例：现提供以下实验器材：铁架台、细线、弹簧、钩码(质量已知)、刻度尺、秒表，试根据物理学知识建立实验模型以测定弹簧的劲度系数。 根据提供的实验器材可以建构两个实验模型。 实验模型1：静力拉伸模型 实验原理：胡克定律在弹性限度内，物体的形变跟引起形变的外力成正比。 实验模型2:简谐振动模型 实验原理：弹簧振子的周

9、期公式,值得注意的是，在建立实验模型的过程中，当遇到一条路径走不通的时候，要考虑有无别的路径，切忌一条道跑到底。在历史上，第谷积累了几十年精确的天文观测资料，但他沿用传统的行星运动模型去加以解释，未能作出进一步的发现。其弟子开普勒抛弃传统的行星运行模型，从哥白尼的天体运行规律出发，最终发现了行星运动三大定律。,2.根据实验要求建立实验模型 分析实验要求、提取情景信息是建立实验模型的前提，抓住主要因素、忽略次要因素是建立实验模型的关键，根据物理知识、数学知识水平是建立实验模型的基础。,例：叠砖实验。如图所示，用n块质量为m，长为l、宽为b、高为a（abl）的砖，在水平面上依次由下往上叠放。试建立

10、实验模型，考虑在砖不翻倒的条件下，为使最上面一块砖伸出底部最下面一块砖的距离s最大，如何堆放？,例：单摆实验模型的研究。 单摆模型无论是在中学物理实验，还是在大学物理实验教学中都是一个重要的实验模型，在摆角50或更大的时候，单摆周期如何？如果考虑摆球线度、地球纬度以及介质阻尼等影响时，单摆周期又如何呢？,（二）改进实验模型 次要因素尽管对实验问题的影响很小，但毕竟有影响，所以忽略次要因素而得到的结果是近似的，与实际有一定的差距。弄清楚主要因素后，再考虑次要因素，进而改进实验模型，借助于数学工具，作一级级近似，就可能逼近实际，作二极近似就更接近于实际。物理实验教学研究可从这一视角出发，从逐步解除

11、约束（即渐渐考虑放宽实验条件的限值）的角度，不断改进实验模型，逐渐逼近真实物理情景。,（1）摆角对单摆周期的影响 单摆在无阻尼运动过程中，系统的机械能守恒，由此可解得单摆运动周期的精确解为：,其中 为单摆的最大摆角。该式为第一类椭圆积分，须查积分表才能得出不同摆角时的周期值。,（2）摆球线度和摆角对单摆周期的影响 理想的单摆将摆球视为质点。事实上，单摆的摆球有一定的线度，此时必须将单摆系统看成是刚体系统。设摆球对单摆悬点的转动惯量,在无阻尼的情况下，可解出单摆摆动周期精确解：,（3）地球纬度和摆角对单摆周期的影响,单摆周期公式相应地修改为：,（4）介质阻尼对单摆周期的影响,(5)综合考虑摆线的

12、质量、单摆的线度、摆角、介质的浮力及阻尼的修正，则周期公式为,三、实验原理 （一）分析原理是研究实验的基本方法 1、明确实验的目的、内容和要求； 2、认真研究实验原理，对定量或半定量实验，需要分析实验的误差原因及其影响程度； 3、确定实验关键； 4、对实验装置、器材和实验条件提出要求并进行选择 5、明确操作要点和注意事项。,（二）实验原理的科学性和可行性 1、原理的正确性 （1）不能弄虚做假，制造假象，欺骗学生。但可采取一定的必要的技术手段。 （2）原理无错误，但允许有误差。 2、原理的确切性 原理与教学中需要说明的问题要一致。 3、原理的可行性 （1）、设计的实验方案从原理上讲并没有错误，但

13、在实施过程中受到装置、器材、实验条件等限制，而无法实施。 （2）、有些实验虽然在科学性上并没有错误，但其主要的实验原理学生不易理解，或还未学到。 （3）、原理无误，学生也易理解，但运用教学中，把他们放在一起就会出现逻辑错误。 （大气压存在）,四、实验方法 物理实验方法是依据一定的物理现象、物理规律和物理学原理，创设特定的环境和条件，观测相关物理现象或物理量的变化、研究物理量之间关系的手段。 物理实验方法的优点是能将复杂条件进行简化和纯化，借助仪器设备，突出研究对象的主要因素，排除次要因素，创造一个恰当的实验环境，使需要认识的某种性质或关系以比较简单的形态表现出来，以便人们能比较容易、比较精确地

14、发现规律。,1、实验归纳法 这是一种由个别到一般的认识方法。其特点是，实验在前，结论在后，实验就是探索规律的主要手段。这种实验人们常称为探索性实验。 2、实验验证法 这是一种推理、判断在前，实验验证在后的研究方法（即演绎法）。实验验证法是与想象、推理、判断等思维形式紧密结合起来的方法，是人们的认识能力充分发展的表现。 3、理想实验的方法 理想实验是人们头脑中想象的实验，是一种思维活动，是在已有实践的基础上，经过推论、判断得出理想条件下的物理规律的方法。,控制变量法 类比法 理想实验法 留迹法 替代法,常用的物理实验方法,常用的物理实验方法,控制变量法 类比法 理想实验法 留迹法 替代法,常用的

15、物理实验方法,控制变量法 类比法 理想实验法 留迹法 替代法,常用的物理实验方法,在物理实验或实际问题中，常有多个物理量在变化，造成物理规律不易显现，这时可以先控制一些物理量使之保持不变，每次实验只改变其中的某一个物理量，研究被改变的这个物理量对其他物理量的影响。这种把多个物理量变化的问题变成多个单一物理量变化的问题的方法称为控制变量法。控制变量法是物理实验的重要方法，已广泛运用于各种科学探索和科学实验研究之中。,控制变量法 类比法 理想实验法 留迹法 替代法,常用的物理实验方法,类比法就是根据两个（或两类）对象在属性、形式等方面的相同或相似，推出它们在其他方面也可能具有相同或相似的一种推理法

16、。应有类比法创设实验将有助于理解较难的物理知识。,控制变量法 类比法 理想实验法 留迹法 替代法,常用的物理实验方法,理想实验法就是在真实的物理实验的基础上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，根据一定的逻辑法则，对对象或过程等作进一步的分析、推理，从而得出物理规律的方法。,控制变量法 类比法 理想实验法 留迹法 替代法,常用的物理实验方法,在物理实验中，有些物理现象瞬息即逝，实验者难以在此瞬间对研究对象进行观察和测量，如运动物体所处的位置、轨迹、图像，运动物体历经短暂过程的时间等。留迹法就是采用一定的方法将有关信息记录下来,然后通过测量或观察来进行研究的方法。,控制变量法 类比法 理想实验法 留迹法

17、 替代法,常用的物理实验方法,替代法是指在研究某一个物理现象和规律中，因实验本身的特殊限制或因实验器材等限制，不可以或很难直接揭示物理本质，而采取与之相似或有共同特征的等效现象来替代的方法。其前提是效果相同。,五、实验装置和实验器材 （一）分析装置的原理和特点 （二）分析和掌握仪器的结构、原理和性能 1、分析仪器的结构和掌握仪器的工作原理 2、了解仪器的技术参数和一般用途 （1）了解仪器的技术参数。 （2）了解仪器的一般用途。 （三）了解仪器的调整方法和与分析其作用和原理 （四）分析仪器的结构原理与改进和自制仪器 改进方案要有理有据。 改进方案必须切实可行。,1、实验观测比较困难的改进 （1）实验现象不太明显 （2）实验现象存在怀疑 2、实验条件难以控制的改进 （1）实验时间条件难以控制 （2）实验操作条件难以满足 （3）实验操作存在隐患的控制 3、实验现象难以解释的改进 （1）减少干扰信息的改进 （2）实验仪器认识不足的改进 4、实验器材有局限的改进 （1）实验器材指标参数不能满足实验要求的改进 （2）实验器材不能更科学地反映物理本质的改进 5、减小实验误差的改进 （1）实验观测存在误差 （2）实验方法存在误差,（五）分析和了解材料的特性和用途 1、了解材料的特性和作用及合理应用 2、扩大材料的应用范围 （六）实验装