觀察與實(shí)驗(yàn)法書籍

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物理學(xué)是一門以測驗(yàn)為根基的學(xué)科.查看和測驗(yàn)是獲得感性材料、探索物理規(guī)律、熟悉物理世界的根本手段，也是檢驗(yàn)物理理論真理性的唯一標(biāo)準(zhǔn).■一、查看查看，主要是指人們對(duì)于物理現(xiàn)象在自然發(fā)生的條件下或者在有目的的測驗(yàn)條件下舉行考察分析的一種方法.人類科學(xué)進(jìn)展史上，有大量通過查看獲得重大察覺的告成實(shí)例：伽利略因查看教堂里的掛燈隨風(fēng)搖擺的等時(shí)性而研發(fā)了鐘擺；牛頓因查看自由落體而察覺了萬有引力.查看是人類熟悉自然的最根本的方法，是獲得感知、為建立科學(xué)理論供給原始資料的重要途徑和手段.

■1.查看的類型

（1）根據(jù)查看的手段和方法不同，可分為直接查看和間接查看.

直接查看：感官直接作用于查看對(duì)象，有直觀、生動(dòng)的特點(diǎn).優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)用便當(dāng)、干擾最小，比使用儀器更具有直接的現(xiàn)實(shí)性.缺點(diǎn)：對(duì)于高難度的研究對(duì)象，在確定條件下要受到感官才能的限制.如人的耳朵只能聽到頻率在20~20000Hz范圍內(nèi)的聲波，對(duì)次聲波、超聲波是聽不到的.

間接查看:是人們借助于儀器或其它技術(shù)手段間接地從外部獲取感性材料的一種方法.優(yōu)點(diǎn)：擴(kuò)大了感知的范圍和種類，提高了查看的精確度和回響才能，使人們對(duì)于自然界的熟悉才能得到了很大的提高.缺點(diǎn)：由于儀器本身的繁雜性和干擾性，易帶來一些熟悉上的錯(cuò)覺和誤會(huì).

（2）根據(jù)查看的性質(zhì)和內(nèi)容，又可分為質(zhì)的查看和量的查看.

質(zhì)的查看，是考察事物具有或不具有某種屬性和特征以及它與其它事物是否具有何種性質(zhì)聯(lián)系的一種查看方法.

量的查看，是對(duì)研究對(duì)象的某些性質(zhì)和特征舉行數(shù)量描述和測定的一種查看方法，其目的在于深刻地、精確地把握事物質(zhì)的特征及其數(shù)量的關(guān)系.

■2.查看的根本原那么

（1）客觀性原那么要求查看者務(wù)必客觀地、實(shí)事求是地反映所查看到的事實(shí)，既不能肆意增減查看到的事實(shí)，又不能臆造一些不存在的事實(shí).

（2）全面性原那么在查看研究對(duì)象時(shí)，從空間上講，要查看事物的各個(gè)方面、各個(gè)片面、各個(gè)層次；從時(shí)間上講，要查看事物進(jìn)展變化的各個(gè)階段以及它的全過程；同時(shí)，要查看事物內(nèi)部各要素之間以及該事物與外界其它事物的聯(lián)系.

（3）典型性原那么在選擇查看對(duì)象時(shí)要留神選擇那些能夠集中反映一類事物的共性，其自然現(xiàn)象表現(xiàn)的過程較純粹、最少干擾、最易于查看的事物作為查看對(duì)象.

（4）辯證性原那么查看不僅要看到事物的存在，同時(shí)也要看到事物的變化，力戒孤立、靜止、凝固不變的形而上學(xué)觀點(diǎn).查看的辯證性還要求留神查看的時(shí)間、地點(diǎn)、條件和范圍，不能把在特定條件下查看的結(jié)果肆意延遲，應(yīng)合理處理典型性與隨機(jī)性、特殊性與普遍性的辯證關(guān)系.

■3.查看的作用

（1）查看是收集科學(xué)事實(shí)，形成科學(xué)熟悉的根基.物理學(xué)原理往往可以從客觀實(shí)踐中總結(jié)、概括、抽象而得到，這些都要通過查看來舉行.

（2）查看是檢驗(yàn)假說和理論的重要標(biāo)準(zhǔn)之一.哥白尼“日心說”、牛頓萬有引力定律，海王星的察覺都是通過查看后獲得的.

■4.查看的程序

查看是收集第一手材料的最根本、最常用的方法.在科學(xué)研究上，第一手原始材料具有極其重要的價(jià)值，它是一切科學(xué)研究的起點(diǎn)，科研往往從問題開頭，進(jìn)而舉行查看、調(diào)查和測驗(yàn)，從這個(gè)意義上講，科學(xué)源于問題.

然而，由于人們的一切熟悉，包括產(chǎn)生的一切問題，歸根畢竟發(fā)源于查看所得到的事實(shí)，從這個(gè)意義上講，科學(xué)始于查看.

科學(xué)查看的一般過程可分為打定、實(shí)施查看、整理資料三個(gè)階段，概括步驟包括：明確查看目的，制訂查看籌劃，做好物質(zhì)打定，舉行實(shí)際查看，整理查看資料.

科學(xué)家法拉第曾說過：“沒有查看就沒有科學(xué)，科學(xué)察覺誕生于留心的查看之中.”

■二、測驗(yàn)

為了能夠留心查看研究某一現(xiàn)象或過程發(fā)生的理由、特點(diǎn)、量的抉擇因素和規(guī)律，盡可能擯棄外界各種干擾的影響，突出主要因素，在確定條件下使這一現(xiàn)象或過程重演，這就是科學(xué)測驗(yàn)的方法.

測驗(yàn)是根據(jù)確定的研究目的，運(yùn)用確定的物質(zhì)手段，人為地變革、操縱或模擬客觀對(duì)象或過程，在有利的條件下研究物理規(guī)律的方法.測驗(yàn)與查看都是科學(xué)熟悉的根本方法，但測驗(yàn)方法比單純查看方法有明顯的優(yōu)點(diǎn)，它抑制了單純查看的局限性.測驗(yàn)方法源于查看，又高于查看.

■1.測驗(yàn)思想

測驗(yàn)在物理學(xué)中不僅是一種方法，而且是一種思想.測驗(yàn)中的物理思想超越各個(gè)概括的物理測驗(yàn)，是對(duì)物理測驗(yàn)問題的深層次斟酌及概括.測驗(yàn)思想既表達(dá)于構(gòu)成測驗(yàn)的諸要素（如原理、方法、條件、數(shù)據(jù)等）之中，又表達(dá)在對(duì)各個(gè)要素舉行選擇、運(yùn)用、處理和分析之中.概括表達(dá)在：

（1）測驗(yàn)設(shè)計(jì)與制作任何一個(gè)測驗(yàn)，都是在確定的理論或原理指導(dǎo)下設(shè)計(jì)的，這些理論或原理的本身就表達(dá)了測驗(yàn)的思想.每個(gè)測驗(yàn)都包含著科學(xué)家熟悉物理世界的本來方式和測驗(yàn)裝置的精良構(gòu)思，這是測驗(yàn)的精華.

（2）測驗(yàn)方法測驗(yàn)方法是指在各種物理測驗(yàn)中使用的處理和解決問題的方法.在中學(xué)物理的各種測驗(yàn)方法中，表達(dá)出了物理思想，如：伽利略的自由落體測驗(yàn)中，有“加速度的建立”、“大膽的揣摩”、“沖淡重力”、“合理外推”等.

（3）測驗(yàn)條件的操縱和測驗(yàn)操作在測驗(yàn)中調(diào)整和使用儀器裝置要有目的、有步驟、有要求，操作須模范，動(dòng)作要領(lǐng)會(huì)領(lǐng)略、明凈利索，如砝碼不能用手拿，用溫度計(jì)時(shí)手不能握住玻璃泡等.在測驗(yàn)操作中，務(wù)必操縱好測驗(yàn)條件，如平拋運(yùn)動(dòng)測驗(yàn)中，要求調(diào)理軌道出口水平，每次從同一高度釋放小球等.

（4）測驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表格，正確記錄及處理測驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出測量對(duì)結(jié)論的判定性及結(jié)果的切實(shí)性的分析，在這些過程中表達(dá)的物理思想是：在操作測量的根基上，運(yùn)用圖象處理數(shù)據(jù)，分析現(xiàn)象，得到結(jié)論，盡可能裁減數(shù)據(jù)處理的主要誤差.

■2.測驗(yàn)方法

大量物理測驗(yàn)具有極其豐富和精彩的物理思想，透露了解決問題的途徑和方法，這些思想指導(dǎo)下的概括方法已經(jīng)超越了概括的測驗(yàn)而是有普遍的指導(dǎo)意義.

（1）測驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

①放大法為了測量、查看細(xì)小的物體，人們產(chǎn)生了放大的動(dòng)機(jī)，在這個(gè)動(dòng)機(jī)促使下，人們?cè)O(shè)計(jì)、制造了一系列精良的物理儀器或裝置.溫度計(jì)內(nèi)徑做得很細(xì)，以便查看的現(xiàn)象明顯，能表達(dá)出溫度的細(xì)小區(qū)別；螺旋測微器那么通過螺紋將縱向的微小變化放大成圓周方向上的較大變化；卡文迪許測驗(yàn)裝置高明地利用了二次放大，測出了萬有引力常量.

②操縱變量法在研究一個(gè)量與多個(gè)變量之間的關(guān)系時(shí)，有意操縱其中一些變量不變，研究其中一個(gè)變量與因素的關(guān)系.例如在研究影響加速度大小的因素時(shí)，加速度與外力、物體的質(zhì)量有關(guān)，假設(shè)我們研究加速度與外力的關(guān)系，就保持物體的質(zhì)量不變.

③轉(zhuǎn)化法把不成測的量轉(zhuǎn)化為可測的量，把測不準(zhǔn)的量轉(zhuǎn)化為測得準(zhǔn)的量.例如彈簧測力計(jì)把力的大小轉(zhuǎn)化為彈簧的形變量讀出.

④累積法把某些物理量（有時(shí)這些量是難以直接測量的微小量）累積后測量.如要測量導(dǎo)線的直徑，可以把導(dǎo)線密繞在鉛筆上20圈，測量出寬度，再求平均值.

⑤留跡示蹤法把研究對(duì)象在運(yùn)動(dòng)變化過程中的徑跡用確定的手段記錄下來，能形象、直觀、實(shí)時(shí)地顯示出物理過程.如通過紙帶上打出的點(diǎn)記錄小車的位移和時(shí)間，用描跡法畫出平拋物體的運(yùn)動(dòng)軌跡.

⑥對(duì)比法天平是測量質(zhì)量的儀器，測量質(zhì)量的過程實(shí)際上是把未知的質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量舉行對(duì)比的過程.

（2）測驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

①直接尋求兩個(gè)物理量之間的關(guān)系

根據(jù)測驗(yàn)的數(shù)據(jù)予以直接闡述.如伽利略斜面測驗(yàn)，當(dāng)小球從靜止開頭沿斜面滾下時(shí)，每隔確定時(shí)間間隔所通過的位移之比為12∶22∶32……，從而得到位移與時(shí)間平方成正比的結(jié)果.

②逐差法將測驗(yàn)數(shù)據(jù)按前后依次每隔確定項(xiàng)數(shù)舉行分組，然后對(duì)應(yīng)項(xiàng)相減.例如在測定勻變速直線運(yùn)動(dòng)的加速度這個(gè)測驗(yàn)中，測得連續(xù)相等時(shí)間Ｔ內(nèi)的位移分別s1、s2、s3……s6.得加速度a=■，由于充分利用了數(shù)據(jù)，可以減小偶然誤差.

③圖象法把數(shù)據(jù)之間的關(guān)系直觀地顯示出來，這是最常用的方法之一.圖象法具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以去掉測量誤差較大的數(shù)據(jù)；有屢屢測量取平均值的作用；能簡便地從圖中求出測驗(yàn)需要的某些結(jié)果；可直接讀出在測驗(yàn)條件內(nèi)沒有觀測到的某些值，或把圖線延遲得到測量范圍以外的數(shù)據(jù)；通過坐標(biāo)變換將較繁雜的函數(shù)關(guān)系用直線表示出來.

■3.測驗(yàn)程序

（1）測驗(yàn)設(shè)計(jì)周密的測驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)包括確立舉行測驗(yàn)的理論根基，以便在測驗(yàn)中不斷得到正確指導(dǎo)；也包括對(duì)測驗(yàn)儀器效用的了解，以便在測驗(yàn)后能正確地分析其結(jié)果，還包括對(duì)各種可能展現(xiàn)的偶然處境的估計(jì)，以便在隨機(jī)處境展現(xiàn)時(shí)能實(shí)時(shí)加以擯棄.

在探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系測驗(yàn)中，放在木板上的物體斷定要受到木板的摩擦力，給測驗(yàn)的設(shè)計(jì)帶來了新的斟酌：摩擦力無法抑制，能否盡量減小摩擦力的影響？自然界摩擦力最小的環(huán)境是空氣中，若能將物體懸浮在空氣中，就能使摩擦力減小到對(duì)比夢(mèng)想的狀態(tài)（近似為零），于是氣墊導(dǎo)軌裝置就展現(xiàn)了.但其由于經(jīng)濟(jì)等理由不具有普遍性，于是人們又在探尋更簡樸的手段，平衡摩擦力的思想又展現(xiàn)了，就有了在木板的一端墊高，讓重力沿斜面的分力來平衡摩擦力的手段.

（2）測驗(yàn)實(shí)施即操作流程，它是測驗(yàn)?zāi)芊裾_完成的模范.只有照此辦理，才能抑制、制止我們測驗(yàn)操作中的肆意和失誤，以高效、干脆的操作工藝求得科學(xué)的真實(shí)和規(guī)律的來源.測驗(yàn)程序的實(shí)現(xiàn)過程便是科學(xué)思想的成熟過程，熟悉和靈感的深化和升華過程.

（3）測驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析對(duì)通過自己親自測驗(yàn)獲得的測驗(yàn)數(shù)據(jù)，做出科學(xué)的分析和歸納，得到測驗(yàn)的結(jié)論.結(jié)果分析是根據(jù)已有理論或提出新假說對(duì)測驗(yàn)結(jié)果舉行合理說明的問題.

■4.測驗(yàn)的作用

測驗(yàn)可以簡化和純化研究對(duì)象，即根據(jù)研究的目的選出和突出主要因素，舍棄和擯棄次要、偶然因素，使需要的屬性或關(guān)系在簡化、純粹的形態(tài)下暴露出來，以形成切實(shí)熟悉.

測驗(yàn)可以強(qiáng)化和激化研究對(duì)象，即根據(jù)研究的需要可以人為地創(chuàng)造特殊條件，變更事物存在的狀態(tài)，甚至將其推向極端狀態(tài)，以便顯示其規(guī)律.

測驗(yàn)可以再現(xiàn)和重演自然過程，即通過人為的操縱，對(duì)于曇花一現(xiàn)、時(shí)過境遷、規(guī)模大、周期長的事物和現(xiàn)象，使其再現(xiàn)、重演，縮小其規(guī)模，減短其周期，以達(dá)省時(shí)省力、經(jīng)濟(jì)快速地熟悉的目的.

■5.測驗(yàn)類型例析

（1）探究性測驗(yàn)：這類測驗(yàn)旨在通過測驗(yàn)探索某種物理規(guī)律、研究某個(gè)物理問題.這類測驗(yàn)安置在有關(guān)學(xué)識(shí)的教學(xué)之前舉行，或可作為教學(xué)同時(shí)舉行測驗(yàn).其目的是讓學(xué)生通過測驗(yàn)查看，對(duì)尚未學(xué)過的學(xué)識(shí)有一感性熟悉，并可歸納得出初步結(jié)論，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)有關(guān)規(guī)律打下根基.

■例1某同學(xué)用如圖1所示裝置做探究彈力和彈簧伸長關(guān)系的測驗(yàn).他先測出不掛砝碼時(shí)彈簧下端指針?biāo)傅臉?biāo)尺刻度，然后在彈簧下端掛上砝碼，并逐個(gè)增加砝碼，測出指針?biāo)傅臉?biāo)尺刻度，所得數(shù)據(jù)列表如下：（重力加速度g＝9.8m/s2）

（1）根據(jù)所測數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上作出彈簧指針?biāo)傅臉?biāo)尺刻度x與砝碼質(zhì)量m的關(guān)系曲線.

（2）根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)和關(guān)系曲線可以判斷，在_____N范圍內(nèi)彈力大小與彈簧伸長關(guān)系得志胡克定律.這種規(guī)格彈簧的勁度系數(shù)_____N/m.

■解析（1）標(biāo)尺刻度x與砝碼質(zhì)量m的關(guān)系曲線見圖2.

（2）根據(jù)曲線可以判斷，在0～5.0N范圍內(nèi)彈力大小與彈簧伸長關(guān)系得志胡克定律；彈簧的勁度系數(shù)為25.0N/m

（2）驗(yàn)證性測驗(yàn)：這類測驗(yàn)要求用測驗(yàn)的方法來驗(yàn)證科學(xué)家已歸納、總結(jié)和已證明的結(jié)論，通過測驗(yàn)過程的再現(xiàn)，加深對(duì)規(guī)律適用條件和結(jié)論的理解.這類測驗(yàn)安置在學(xué)習(xí)過有關(guān)學(xué)識(shí)之后舉行，要求學(xué)生定量分析測驗(yàn)數(shù)據(jù)，從中得出結(jié)論，并與所驗(yàn)證的定律作對(duì)比，以達(dá)成驗(yàn)證目的.假設(shè)測驗(yàn)結(jié)論與物理定律有偏離，還應(yīng)分析產(chǎn)生誤差的主要理由.

■例2在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的測驗(yàn)中，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用電源的頻率為50Hz，查得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭=9.80m/s2，測得所用重物的質(zhì)量為1.00kg.測驗(yàn)中得到一條點(diǎn)跡明顯的紙帶如圖3所示，把第一個(gè)點(diǎn)記做O，另選連續(xù)的4個(gè)點(diǎn)A、B、C、D作為測量的點(diǎn).經(jīng)測量知道A、B、C、D各點(diǎn)到O點(diǎn)的距離分別為62.99cm、70.18cm、77.76cm、85.73cm.根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可知重物由O點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)，重力勢(shì)能的裁減量等于_____J，動(dòng)能的增加量等于______J.（取3位有效數(shù)字）.

■解析重力勢(shì)能的裁減量等于重力做的功W＝mgh=mg?OC=1×9.8×77.76×10-2J＝7.62J.

動(dòng)能的增加量等于mv2C/2，vC為BD段的中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度，等于BD段的平均速度.

即vC=（85.73-70.18）/0.02×2=388.8cm/s，

∴ΔEk=0.5×1×v2C=7.56J.

（3）根本技能性測驗(yàn)：熟諳某些根本測量儀器的操作與使用的測驗(yàn).這類測驗(yàn)的目的是訓(xùn)練測驗(yàn)操作技能，能正確操作和使用.例如游標(biāo)卡尺、螺旋測微器、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、天平、測力計(jì)等的使用.

■例3圖4為彈簧秤測力的示意圖，該彈簧秤的量程為_______N，測量值應(yīng)為_______N.

■答案50；27.

（4）測量性測驗(yàn)：這類測驗(yàn)以某一原理或物理規(guī)律（公式）為依據(jù)，通過測量相關(guān)的物理量，從而實(shí)現(xiàn)測定某個(gè)（或某些）物理量或物理常數(shù)為測驗(yàn)?zāi)康?這類測驗(yàn)的目的是讓學(xué)生運(yùn)用已掌管的學(xué)識(shí)和熟諳的器材，測定某些物理常數(shù)和物理量，要求學(xué)生理解測驗(yàn)所依據(jù)的原理，明切實(shí)驗(yàn)的條件、步驟和過程.

■例4一個(gè)有確定厚度的圓盤，可以繞通過中心垂直于盤面的水平軸轉(zhuǎn)動(dòng).用下面的方法測量它勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度.

測驗(yàn)器材：電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，米尺，紙帶，復(fù)寫紙片.

測驗(yàn)步驟：

（1）如圖5所示，將電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在桌面上，將紙帶的一端穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔后，固定在待測圓盤的側(cè)面上，使得圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，紙帶可以卷在圓盤側(cè)面.

（2）啟動(dòng)操縱裝置使圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)接通電源，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器開頭打點(diǎn).

（3）經(jīng)過一段時(shí)間中斷轉(zhuǎn)動(dòng)和打點(diǎn)，取下紙帶，舉行測量.

①由已知量和測量量表示的角速度的表達(dá)式為ω=________，式中各量的意義是：__________________________________.

②某次測驗(yàn)測得圓盤半徑r=5.50×10-2m，得到的紙帶的一段如圖6所示，求得角速度為_____.

■解析①v=（