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？

一、实验设计教学的必要性

１９９６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１９９６年全国高考第２１题就是从１９９５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能的做法，自己会怎么做．

二、实验设计的基本方法

１．明确目的，广泛联系

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，广泛联系，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联系．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，它与其他物理量有何定量关系，并一一罗列出来：

（１）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．

（２）在超重或失重（但不完全失重）系统中，Ｆ⊥－ｍｇ＝±ｍａ⊥．若Ｆ⊥、ａ⊥和ｍ可测出，则重力加速度ｇ可测定．

（３）在运动学中，物体从光滑斜面上由静止下滑，ｓ＝１２ｇｓｉｎθｔ２．若ｓ、θ和ｔ可测定，则重力加速度ｇ也可测定．

（４）在运动学中，物体从粗糙斜面上由静止下滑，ｓ＝１２（ｇｓｉｎθ－μｇｃｏｓθ）ｔ２．若ｓ、θ、μ和ｔ可测，则重力加速度ｇ也可测定．

（５）自由落体运动中，ｈ＝１２ｇｔ２．若ｈ和ｔ可测出，则重力加速度ｇ也可测定．

（６）用重力加速度测定仪测定．

（７）在平抛运动中，竖直方向在连续相等的时间内位移之差Δｙ＝ｇｔ２．若Δｙ和ｔ可测，重力加速度ｇ同样可以测出．

（８）在斜抛运动中，水平射程可以表示为ｘ＝ｖ０２ｓｉｎ２θ／ｇ．若ｘ、ｖ０和θ可测出，则重力加速度ｇ也可测出．

（９）单摆做简谐振动时，其周期可以表示为Ｔ＝２πｌ／ｇ．若Ｔ和ｌ可测，则ｇ可测．

（１０）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．

（１１）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．

（１２）假设一物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Ｆ⊥和ａ⊥均不易测定；（３）中θ和ｔ不易测定且难以保证斜面足够光滑；（４）中θ、ｔ和μ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θ和ｖ０的测量难度较大；（９）中相对而言较切合中学实际；（１０）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．重力加速度可表示为ｇ＝４π２ｌ／Ｔ２，周期需用秒表测定；摆长ｌ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ｌ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＝４π２ｌ／Ｔ２中的ｌ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．

三、建议

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１９９６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，同样可考查即时速度、ΔＥＰ和ΔＥＫ的计算，但为学生提供的可能性增多了．为什么非得从“第一个点”开始考虑呢？见微知著，我们完全可以通过证明ΔＥＰ（ＢＣ）与ΔＥＫ（ＢＣ）相等来验证机械能守恒定律，至少可说明ＢＣ过程机械能守恒．

总而言之，要改善中学物理教学现状，培养思想活跃、有创新精神和创造能力的跨世纪人才，即需中学教育工作者的切实努力，也需全国高考的积极正确导向．

《物理实验设计的基本方法》