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1、物理实验的简单设计,福州市仓山区教师进修学校 李先进,物理实验,物理实验是科学实验的一种。所谓科学实验，就是人们根据研究的目的，利用科学仪器设备人为地控制或模拟自然现象，排除干扰、突出主要因素，在最有利的条件下去研究自然规律的一种活动。在物理学产生和发展的进程中，物理实验自始至终占有极其重要的地位。可以说它是发现物理奥秘、总结规律的钥匙。我们提出的假设与猜想是否正确，一般都要通过实验来验证。,历史上许多实验的设计非常巧妙，不仅目的明确，思考周密，而且抓住关键，出奇制胜。例如，17世纪伽利略设计研究惯性定律,自由落体的实验;历史上持续了近300年的测定光速的实验;1911年卢瑟福研究原子内部结构
2、的粒子散射实验等，就是巧妙设计的典范。由于我们的知识所限，对这些实验还难于理解，但是我们可以对教材中的一些实验认真加以分析，就会得到很多启发。,实验设计,1.确定实验目的 2.确定实验中的变量 3.实验变量的控制 4.实验的组成部分（实验对象，实验源，实验效果显示器）5.实验效果显示的方法(转换法，对比法，放大法)6.选择实验仪器 7.确定实验步骤 8.设计实验数据记录表 9.实施实验10.实验数据处理11.总结规律,物理实验设计的三步曲,确定变量(一般都是多个变量:如引起I变化的V,R,;一个因变量I,二个自变量R,V;)如何控制变量(这样只研究两个变量:一个因变量I,一个自变量R或V;)设
3、计实验:实验对象:因变量(电阻R上的电流I)实验源:自变量(引起电流变化的电源V)实验效果显示器:电流表,1.确定实验目的,假设(在实验的基础上提出):研究电路中的电流I与电压U电阻R的关系,2.确定实验的变量,变量:因变量:I自变量:U R,3.实验变量的控制,控制变量实验法:在决定事物或者过程的规律的多个因素(变量)中，先固定一些变量因素不变，只改变其中的一个变量因素，进行观察实验，如此多次反复然后再运用归纳法或者逻辑推理等方法，综合出多个变量因素之间的关系，从而得出物理规律。1.固定R:改变U:研究I与U的关系2.固定U:改变R:研究I与R的关系,4.实验的组成部分,实验对象:电阻实验源
4、:电源(电池)实验效果显示器:电压表,电流表,物理实验的基本组成部分,分析的依据：统编初中物理教材，个实验，其中演示实验个，学生分组实验个，小实验个，习题中的设计实验个。这些实验都渗透着物理学工作者十分丰富而新颖的方法论思想。,例如，为了研究物体发声的原因，通过观察，提出物体发声的原因是物体振动引起的，这一假设是否正确呢，我们可以设计实验来验证。如图1，拿一个音叉，用小锤敲击它，音叉发出了声音，但是难于观察到音叉在振动，此时我们可以采用许多办法，例如，用手轻轻地接触音叉，感受音叉在振动。为了使更多的人观察到它的振动，教材中设计用细线拴一个小乒乓球，轻轻地接触音叉，通过观察乒乓球被弹出，从而说明
5、音叉在振动，实验尽管是很简单的，但是其设计思想确实非常巧妙的。这个实验还可以用来研究声音的响度与振幅等因素的关系。,又如，我们要验证凸透镜对光线的会聚作用（或者是研究凸透镜的成像规律），拿一个凸透镜，找一个光源（可以是太阳，蜡烛，手电筒等），汇聚的光线或所成的像呈现在光屏上，以便于观察，如图2。,再如，我们验证物体在水中受到浮力，可以在弹簧秤下栓一个铁块，放入水中，借助观察弹簧秤示数的减小说明铁块受到了浮力，如图3。,通过以上及许多实验的观察，我们发现,一个完整的成功的物理实验大致可由三个部分组成：1.实验对象：它是我们要研究的对象，可以是一个物体，一件事物，或者一个现象等，例如以上实验中的音
6、叉，凸透镜，铁块等；2.实验源：它是对实验对象施加一个作用，或者对实验对象发出一个信号的发生源，例如以上实验中的小锤，蜡烛，水等；做力学、热学、电学、光学实验，要分别选取力源、热源、电源、光源等。3.实验效果显示器：它是用来呈现实验对象接受实验源的作用或信号后所产生的效应的装置。通过它直接或间接地进行效果的观察。例如以上实验中的乒乓球，光屏，弹簧秤等等。,当然，上述分法不是绝对的。有些简单的实验中，例如拨动钢尺研究声音的发生以及决定音调的因素，此时实验对象和实验效果显示器都是钢尺，也就是说实验效果就显示在实验对象身上。可以对教材中的实验逐个进行研究，分析它的基本组成部分，这对学习实验设计是很有
7、帮助的。,物理实验的基本组成部分视频资料,天津老师的讲课录像:显示喇叭发生在振动洪恩课件济南老师:固体平面镜的形变(激光演示),实例 实验对象 实验源 显示器,物体的 手的 细管中形变 玻璃瓶 压力 的色水 帕斯卡球 液体 活塞 橡皮膜 空气压缩 气室中 硝化棉引火仪 的气体 活塞 被点燃 气体的 细管中热膨胀 气体 手捂 的色水 奥斯特 导线中 磁针 实验 的电流 电源 偏转 光 电 效 应 锌板 弧光灯 验电器 透镜成像 凸透镜 蜡烛 光屏 粒子 荧光屏散射实验 金箔 放射源 显微镜,5.实验效果显示的方法,我们了解实验的基本组成部分，是为了根据要求进行实验设计。实验设计中确定实验对象、选
8、择实验源相对来讲是比较容易的，困难的是如何明显地显示实验的效果，在物理实验中，常用的方法有以下几种。转换法，对比法，放大法平衡法,转换方法,也称间接方法。在物理实验中，常有一些现象因不明显而不易观察或者不易直接观察，这就要借助于力、热、电、光、机械等方法之间的相互转换，以间接地实现可观察、容易观察或观察效果明显的目的。这里说的转换主要是从效果相当的思想出发进行的转换。例如难于观察到音叉的振动，我们利用小乒乓球，轻轻地接触音叉，通过观察乒乓球被弹出，从而说明音叉在振动；通过放在喇叭纸盆上小纸屑的跳动，间接地说明纸盆发声时在振动，这都是很典型的利用了转换的方法。,放大方法,在实验观测过程中，有些物
9、理量因太小而不能直接观测时，就可以借助于声、光或叠加等方法，将待测量放大后再去观测。如放大镜、望远镜、显微镜等仪器的设计都源于放大的思想。还有的实验中，需要测量一些微小量，如金属丝的直径，纸的厚度，一段头发的质量等，可以将细导线缠绕在木棒上，测出若干圈导线所占的长度，然后求出直径等，用的都是这种方法。,比较方法,物理实验常通过对一些物理现象或物理量的比较，来达到异中求同或同中求异的实验目的，此即比较法。实际上可以说每一个实验中都要利用了比较的方法，例如确定物理现象的有无、现象的强弱等。当然，物理实验效果显示的设计方法绝不限于上述几种，需要在实验设计中灵活运用以达到实验的目的。我们可以对教材中的实验逐个进行分析，看这些实验中是如何显示实验效果的。,以下几条略6.选择实验仪器 根据实验的三个基本组成部分选择仪器器材7.确定实验步骤8.设计实验数据记录表9.实施实验10.实验数据处理11.总结规律,
