物理實驗的構思五法
在中學物理實驗教學中,要強化對實驗構思方麵的教學和訓練,這對於培養學生的能力將起重要的作用。為此,金鵬老師歸納了幾種物理實驗構思方法:
“比較法”構思舉例
例1天平:用未知質量與標準質量進行比較的構思來測量物體的質量。
例2惠斯頓電橋:惠斯頓電橋是把未知電阻和已知電阻相比較來測未知電阻的裝置。
從例1、2可以看出,雖然天平是力學儀器,而電橋是電學儀器,兩者的原理也根本不同,但是天平和電橋在物理實驗過程中取得數值的構思方法是相同的,天平有臂,電橋也有臂,天平有平衡指針,電橋也有平衡指針(靈敏構流計G的指針),天平有比較標準(砝碼),電橋也有比較標準(標準電阻R0),因此人們也把電橋稱為“電阻天平”。
“放大法”構思舉例
例1密繞法測直徑:用米尺來測量細金屬絲的直徑的方法是,將金屬絲在鉛筆上密繞100匝,則細金屬絲的直徑就被放大了100倍。
例2螺旋測微器(千分尺):它是一種精密的測量長度的工具,螺旋測微器原理很簡單,大家知道,螺栓在螺母中旋轉一周,螺栓便沿旋轉軸線方向前進或後退一個螺距。人們可以設計一種螺旋,它的螺距很短,例如05毫米,但是螺栓的周長很長,例如等於100毫米(這時螺栓的直徑為3183毫米)如果這樣,隻要螺栓沿軸線方向移動01毫米,那麼它的圓周上的點就移動了2毫米,即放大了200倍,因此,沿軸線方向移動的不便測量的微小距離,就能用圓周上的點移動的較大的距離表示出來,這就是螺旋測微器采用“放大法”的構思。
循著“放大法”的構思,我們還可以列舉出:擴音機、示波器、回旋加速器、收音機以及幻燈機等等。
“複製法”構思舉例
如托馬斯·楊的楊氏實驗(或稱“雙縫幹涉”實驗),它巧妙地複製出了兩個頻率相同、相差恒定的光源,從而有力地支持了光的波動學說。
“間接法”構思舉例
威爾遜雲霧室以及磁力線、電力線等實驗。
“整體法”構思舉例
這種構思來自“整體功能大於各部分功能之和”的整體論命題,即整體不僅要發揮出組成部分的各自功能,還要發揮出相互聯係而產生的功能。例如顯微鏡,單個凸透鏡隻具有放大的功能,而當兩個凸透鏡適當組合時,就具有一種新的“顯微”功能。
中學物理實驗的設計十五法
研究實驗,不僅要明了設計思想和方法。而且要有意識地去設計一些實驗,以開拓新的視野。
河南省宜陽縣第一高中程流鎖老師將設計方法歸納起來有如下幾種:
1累積法
有些微小物理量不易直接測量,或雖可直接測量但誤差太大。為提高精確度,可以把它們累積後進行測量。例如:振動周期可以通過測30-50次全振動的時間,算出T=tn;紙厚可以累積幾十到幾百張測厚a,算出a=ln;細絲直徑可以通過在直棒上密繞多匝再去測量……
2控製法
物體變化過程大多比較複雜,包含多種因素。如果不分主次輕重,很難找到規律。通常采用的研究方法是在許多因素中先控製一些量使之不變,依次研究其中某兩因素間的關係。找到其變化規律再綜合其總體規律。例如:研究牛頓運動定律時,先保持質量不變,研究加速度與外力的關係a∝F;再保持外力不變,研究加速度與質量的關係a∝1m。又如氣體的壓強、體積、溫度間變化的規律,可以先保持質量溫度不變,研究壓強與體積的變化規律;再保持質量、壓強(或體積)不變,研究體積(或壓強)與溫度的變化規律。
3轉換法
某些物理量不易測量,某些現象不易顯示,研究時可用易於測量和易於顯示的現象代替。也可以根據研究對象在一定條件下有相同效果的量和現象作間接測量和觀察。
如把測電阻轉換為測其兩端電壓和通過它的電流(R=U/I)。
4留跡法
是把瞬息即逝的現象(位移、軌跡、圖象等)記錄下來的方法。如通過打點計時器在紙帶上打出的小點記錄小車的位置;用描跡法或閃光攝影描繪平拋運動的軌跡;用示波器顯示變化的波形等。
5外推法
有些物理量能局部觀察或測量。作為它的極端情況,不易直接觀測。如果把這局部觀察測量得到的規律外推到極端,可以達到目的。如在測電源電動勢和內電阻的實驗中,無法直接測量I=0(斷路)時的路端電壓(即電動勢)和U端=0(短路)時的電流強度Im,但通過一係列U、I對應值描點畫出直線並向兩方延伸,交U軸點即為e,交I軸點即為Im。
6近似法
在複雜的物理現象和物體運動中,影響物理量的因素較多,有時為了突出主要矛盾,可有意設計實驗條件,略去次要因素的影響,將近似量當成真實量進行研究。如驗證牛頓第二定律的實驗中,強調讓小桶和砂的質量遠小於車和砝碼的質量(條件設計),近似地把小桶和砂的重量代替對小車的牽引力。